DE3883873T2 - Trägerelement für Halbleiterapparat. - Google Patents

Trägerelement für Halbleiterapparat.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Trägerelement für einen Halbleiterapparat, insbesondere bezieht sie sich auf ein Trägerelement für einen Halbleiterapparat, wie zum Beispiel ein Schaltkreissubstrat, das von hoher thermischer Leitfähigkeit sein soll und mit einer Halbleitereinrichtung von hoher Wärmeleistung wie einem Hochleistungstransistor oder einer Laserdiode angeordnet ist.
  • Ein Trägerelement für einen Halbleiterapparat, die mit einer Halbleitereinrichtung zu montieren ist, wird im allgemeinen von einem isolierenden Bauteil und einem abstrahlenden Bauteil gebildet, das mit dem isolierenden Bauteil verbunden ist. Beispielsweise wird ein solches Trägerelement für einen Halbleiterapparat durch ein isolierendes Substrat, auf dem eine Halbleitereinrichtung vorgesehen ist, und ein abstrahlendes Substrat, das mit der Rückseite des isolierenden Substrats durch Silberlötung oder ähnlichem verbunden sind, gebildet. In diesem Fall werden allgemein für das isolierende Substrat eine hohe elektrische Isolierung zur Isolation gegen die Halbleitereinrichtung, hohe mechanische Festigkeit und hohe thermische Leitfähigkeit zur Dissipation der Wärme, die von der Halbleitereinrichtung erzeugt wird, gefordert. Das abstrahlende Substrat muß eine hohe thermische Leitfähigkeit haben, ähnlich wie das isolierende Substrat, während sein Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr gleich dem der Materialien sein muß, aus dem das Halbleitersubstrat, das isolierende Substrat und ähnliches gebildet werden.
  • Im allgemeinen wird Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) als Material gewählt, das die vorher genannten Eigenschaften aufweist, um das in diesen Trägerelementen für einen Halbleiterapparat verwendete isolierende Substrat zu bilden. Jedoch, obwohl Aluminiumoxid eine ausgezeichnete elektrische Isolation und mechanische Festigkeit besitzt, ist seine Wärmedissipationseigenschaft aufgrund der kleinen Wärmeleitfähigkeit von 17 Wm-¹K-¹ schlechter. Daher ist es unpassend, einen Feldeffekttransistor (FET) von hoher Wärmeleistung auf einem Aluminium-oxidsubstrat anzubringen. Um eine Halbleitereinrichtung von hoher Wärmeleistung zu tragen, wird ein anderer Typ von isolierendem Substrat aus Berylliumoxid (BeO) hergestellt, das eine hohe thermische Leitfähigkeit von 260 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ aufweist, während Berylliumoxid toxisch ist und es daher aufwendig ist, Sicherheitsmaßnahmen in der Verwendung solcher isolierender Substrate zu treffen.
  • Das abstrahlende Substrat wird im allgemeinen aus Material hergestellt, das die oben genannten Eigenschaften hat und aus metallischen Materialien wie verschiedenen Kupferlegierungen, Kupfer-Wolfram-Legierungen und Kupfer-Molybdän-Legierungen gewählt wird. Zum Beispiel offenbart die Japanische Ofenlegunsschrift Nr. 21032/1984 (JP-A-60 165800) ein Substrat von hoher thermischer Leitfähigkeit zum Tragen einer Halbleitereinrichtung, das durch Mischung von 2 bis 30 Gew.-% Kupfer in Wolfram oder Molybdän hergestellt wird. Dieses Substrat wird als abstrahlendes Substrat eingesetzt, und wird geeignet mit einem Aluminiumoxidsubstrat verbunden, das schlechtere Wärmedissipationseigenschaften hat, wobei der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden relativ gering ist. Daher sind die Beispiele nach dem Stand der Technik ungenügend in den Wärmedissipationseigenschaften, was aber für ein Substrat zum Tragen einer Halbleitereinrichtung notwendig ist.
  • In den letzten Jahren hat nichttoxisches Aluminiumnitrit (AlN) großes Interesse als Material für ein solches isolierendes Substrat zum Tragen einer Halbleitereinrichtung mit großer Wärmeleistung hervorgerufen, weil es eine hohe thermische Leitfähigkeit von ungefähr 200 Wm-¹K-¹ hat, wobei dieser Wert im wesentlichen dem vom Berylliumoxid gleicht, und wobei seine elektrische Isolierung und mechanische Festigkeit der von Aluminiumoxid gleicht.
  • Jedoch, wie durch nichtpublizierte experimentelle Studien bekannt ist, wenn Aluminiumnitritsubstrat mit einer metallisierten Schicht durch ein Lötmetall wie Goldlötung oder Silberlötung an ein abstrahlendes Substrat aus Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän-Legierung gelötet wird, die 10 bis 25 Gew.-% Kupfer enthalten, dann kann das Aluminiumnitritsubstrat reißen oder das abstrahlende Substrat aus Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän-Legierung kann sich verbiegen. Ein solches Phänomen ergibt sich aus der thermischen Spannung, die durch den Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän-Legierung und Aluminiumnitrit während des Kühlschrittes beim Löten, das bei Temperaturen zwischen 500 und 950 ºC ausgeführt wird, hervorgerufen wird. Diese Wärmespannungen können möglicherweise in dem Aluminiumnitritsubstrat als Restspannungen verbleiben, und brechen das Aluminiumnitritsubstrat und/oder krümmen das abstrahlende Substrat aus Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän- Legierung.
  • Wenn ein Aluminiumnitritsubstrat mit einem abstrahlenden Substrat aus Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän- Legierung durch Kaltlötung oder Lötung verbunden wird, dann wird das Aluminiumnitritsubstrat oder ein Zwischenstück zwischen demselben und einer metallisierten Schicht durch einen Thermozyklustest (-55ºC zu +150ºC, 1000 Zyklen) oder einen thermischen Schocktest aufgebrochen, was in der Praxis ein bedeutendes Problem darstellt, selbst wenn keine Verwerfungen oder Risse bei der Verbindung festgestellt werden können.
  • In einer Anzahl von Aluminiumnitritsubstraten, die durch Silberlöten mit einem abstrahlenden Substrat aus Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän-Legierung verbunden sind, wurde ähnlich wie oben thermische Ermüdung oder thermische Spannung in einem Thermozyklustest oder thermischem Schocktest verursacht durch den Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem abstrahlenden Substrat aus Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän-Legierung und dem Aluminiumnitritsubstrat. Das Problem der thermischen Ermüdung oder thermischen Spannung verschärft sich noch, wenn die Verbindungsflächen größer werden.
  • Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer-Wolfram-Legierung oder Kupfer-Molybdän-Legierung mit der oben erwähnten Zusammensetzung und Aluminiumnitrit sind 6,5 bis 10 x 10&supmin;&sup6;/K und 4 bis 5 x 10&supmin;&sup5;/K, jeweils innerhalb des Bereichs von Raumtemperatur bis ungefähr 950ºC. Weiterhin sind diese Materialien, die ein hohes Young-Modul von 27000 bis 35000 Kg/mm² und 35000 bis 37000 Kg/mm² aufweisen, schwer plastisch zu deformieren. Daher, wenn die Kupfer-Wolfram-Legierung oder die Kupfer-Molybdän-Legierung der oben erwähnten Zusammen-setzung und Aluminiumnitrit durch Löten miteinander verbunden werden, ist die Wärmespannung im Kühlschritt beträchtlich.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Trägerelement für einen Halbleiterapparat durch Verwendung eines isolierenden Bauteils aus Aluminiumnitrit zu liefern, das ausgezeichnete Wärmedissipationseigenschaften hat, und das mit einer Halbleitereinrichtung von hoher Wärmeleistung zu ontieren ist, sodaß ein abstrahlendes Bauteil, das im wesentlichen aus Metallmaterial mit hoher Wärmestrahlungseigenschaft ohne Risse oder Verwerfungen damit verbunden werden kann.
  • Die Erfinder haben tiefgehende Studien zur Lösung des vorgestellten Problems unternommen, um ein Metallmaterial zu finden, das einen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem von Aluminiumnitrit ist und hohe Wärmeabstrahlungseigenschaften aufweist, wobei dieses Material bei einem abstrahlenden Bauteil, das mit einem isolierenden Bauteil aus Aluminiumnitrit verbunden wird, geeignet angewendet werden kann, damit Risse oder Verwerfungen aufgrund der thermischen Spannungen in einem Kühlschritt beim Löten vermieden werden.
  • Ein Trägerelement für einen Halbleiterapparat gemäß der Erfindung, das eine Halbleitereinrichtung tragen oder halten kann, weist die in Anspruch 1 enthaltenen Merkmale auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metallmaterials, das das abstrahlende Bauteil bildet und mit dem isolierenden Bauteil verbunden wird, ist so gewählt worden, daß er innerhalb des obigen Bereiches liegt und daß es im wesentlichen gleich dem des Aluminiumnitrits ist, wodurch das abstrahlende Bauteil nicht deformiert wird und keine Risse in dem isolierenden Bauteil aus Aluminiumnitrit auftreten, das durch Löten damit verbunden wird. In Hinsicht auf die Wärmeabstrahlungseigenschaft liegt die thermische Leitfähigkeit von Aluminiumnitrit, das mit dem abstrahlenden Bauteil verbunden ist, innerhalb des Bereiches von 120 bis 280 Wm-¹K-¹ und es kann damit für das gesamte Trägerelement gemäß der vorliegenden Erfindung gute Wärmeabstrahlungseigenschaften gewährleistet werden.
  • Vorzugsweise enthält das Metallmaterial, das das abstrahlende Bauteil bildet, Wolfram. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Wolfram liegt bei 4,5 x 10&supmin;&sup6;/K, ein Wert, der im wesentlichen gleich dem Aluminiumnitrit ist. Daher, selbst wenn ein Aluminiumnitritsubstrat mit der Wolframmetallplatte durch Löten bei 800 bis 950ºC verbunden wird, wird die Wolframmetallplatte nicht deformiert und es treten keine Risse in dem Aluminiumnitritsubstrat auf.
  • Das Metallmaterial, welches das abstrahlende Bauteil bildet, kann eine Wolframlegierung enthalten, die mindestens Nickel, Kupfer, Eisen oder Kobalt enthält. Der Wärmeausdehnungskoeffizient einer solchen Wolframlegierung erhöht sich mit dem Zusatz der obigen Metallkomponenten und weicht extrem von dem des Aluminiumnitrits ab. Daher wird die Zugabe von jeder Metallkomponente auf nicht mehr als 10 Gew.-% beschränkt, sodaß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wolframlegierung im wesentlichen der von Aluminiumnitrit bleibt. Wenn der gesamte Inhalt von einer oder mehrerer Metallkomponenten kleiner als 0,01 Gew.-% ist, entsteht ein Problem bei der Maschinenbearbeitbarkeit der Wolframlegierungsplatte.
  • Weiterhin muß die thermische Leitfähigkeit beachtet werden, die eine Eigenschaft darstellt, wie sie für abstrahlende Bauteile aus hauptsächlich Wolframlegierungen erforderlich ist. Der Zusatz von jeder Metallkomponente ist auf nicht mehr als 10 Gew.-% beschränkt, sodaß die thermische Leitfähigkeit der Wolframlegierung mindestens 120 W/m K ist. In Hinsicht auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Maschinenbearbeitbarkeit und die Wärmeleitfähigkeit liegt der Zusatz von jeder Metallkomponente vorzugsweise in dem Bereich zwischen 0,01 bis 10 Gew.-%. Insbesondere enthält die am ehesten vorzuziehende Wolframlegierung 1 bis 7 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 4 Gew.- % Kupfer und 0,1 bis 2 Gew.-% Eisen. Es ist erkannt worden, daß sich der Wärmeausdehnungskoeffizient in einer Wolframlegierung, die durch Addition von mindestens 10 Gew.-% von Kupfer zum Wolfram erhalten wurde, extrem erhöht.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient einer Kupfer-Wolfram-Legierung, die nur Kupfer enthält, erhöht sich mit dem Zusatz von Kupfer und weicht extrem von dem des Aluminiumnitrits ab. Um einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von im wesentlichen gleicher Größenordnung wie der des Aluminiumnitrits zu erhalten, ist es optimal, ein abstrahlendes Bauteil zu verwenden, das hauptsächlich aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung gebildet wurde, die 0,1 bis 5 Gew.-% Kupfer enthält. Wenn der Kupferzusatz nicht mehr als 0,1 Gew.-% beträgt, ist das Schneiden der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatte schwer, wohingegen die thermische Leitfähigkeit, die eine heraus-ragende Eigenschaft der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatte ist, reduziert wird. Wenn der Kupferzusatz mehr als 5 Gew.-% beträgt, überschreitet der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kupfer-Wolfram-Legierung den des Aluminiumnitrits wie oben beschrieben wurde.
  • Das Metallmaterial, welches das abstrahlende Bauteil bildet, schließt Molybdän ein. Der Wärmeausdehnungs-koeffizient von Molybdän ist 5,5 x 10&supmin;&sup6;/K, was im wesentlichen gleich dem von Aluminiumnitrit ist. Daher, selbst wenn man ein Aluminiumnitritsubstrat mit einer Molydän-Metallplatte durch Löten bei 800 bis 950ºC verbunden, wird die Molybdänmetallplatte weder deformiert noch bilden sich Risse in dem Aluminiumnitritsubstrat.
  • Das isolierende Bauteil aus Aluminiumnitrit wird vorzugsweise als Substrat verwendet, das eine Hauptoberfläche hat, auf dem eine Halbleitereinrichtung vorgesehen ist. Alternativ kann das isolierende Bauteil als ein abdeckendes Bauteil verwendet werden, das über eine Halbleitereinrichtung vorgesehen ist, um dieselbe zu schützen, wobei das ab-deckende Bauteil eine Kapsel zum luftdichten Abdichten einer Halbleitereinrichtung bildet, die beispielsweise auf einem isolierenden Substrat vorgesehen ist. Wenn das isolierende Bauteil als ein Substrat zum Tragen einer Halbleitereinrichtung oder als abdeckendes Bauteil zum Schutz einer Halbleitereinrichtung verwendet wird, dann ist das erfinderische Trägerelement für einen Halbleiterapparat geeignet, daß es Wärme, die von der Halbleitereinrichtung erzeugt wird, zu dem isolierenden Bauteil und einem abstrahlenden Bauteil leitet, wobei die Wärme dadurch nach Außen abgegeben wird. Das isolierende Bauteil aus Aluminiumnitrit umfaßt vorzugsweise einen gesinterten Körper.
  • Das isolierende Bauteil aus Aluminiumnitrit wird an seiner Verbindungsfläche vorzugsweise mit einer metallisierten Schicht versehen, die zumindest Wolfram oder Molybdän enthält, zumindest eine Aluminiumkomponente von Aluminiumnitrit, Aluminiumoxid oder Aluminiumoxidnitrit, und Calcium-oxid oder Yttriumoxid, um eine bevorzugte Bindungsfestigkeit und thermische Leitfähigkeit zu erreichen.
  • Der erfinderische Trägerelement für eine Halbleitereinrichtung enthält weiterhin ein Lötelement zum Verbinden der metallisierten Schicht mit dem abstrahlenden Bauteil, wobei eine Plattierungsschicht an der Verbindungsfläche der metallisierten Schicht mit dem Lötelement vorgesehen ist, um eine einheitliche stabile Lötung zu erreichen. Namentlich kann die Benetzbarkeit zwischen dem Lötelement und der metallisierten Schicht durch eine Plattierungsschicht verbessert werden. Eine andere Plattierungsschicht, die in einer Verbindungsfläche des abstrahlenden Bauteils mit dem Lötelement vorgesehen ist, funktioniert ähnlich wie die obige. Solche Plattierungsschichten werden vorzugsweise durch Nickelplattierungen gebildet. Solche Nickelplattierungen werden vorzugsweise ausgeführt, wenn die Verarbeitung wie zum Beispiel Goldplattierungen in einem späteren Schritt durchgeführt werden soll, um die Anhaftungs- und Anlagerungseigenschaften von Goldplattierungen zum Bilden einer einheitlichen Plattierungsschicht zu verbessert.
  • Gemäß dem erfinderischen Trägerelement für einen Halbleiterapparat wird ein Metallmaterial, das die vorher beschriebene Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, als Hauptmaterial zum Bilden eines abstrahlenden Körpers verwendet, wodurch das Reißen des isolierenden Bauteils und das Krümmen des abstrahlenden Bauteils beim Verbinden des isolierenden Bauteils aus Aluminiumnitrit mit dem abstrahlenden Bauteil verhindert wird. So kann ein zuverlässiges Trägerelement für einen Halbleiterapparat zur Anwendung auf einem Substrat zum Tragen einer Halbleitereinrichtung, eines Abdeckbauteils zum Abdichten einer Halbleitereinrichtung oder ähnlichem leicht erhalten werden.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit dem begleitenden Zeichnungen verständlicher.
  • Figur 1A und 1B sind Prozeßzeichnungen, die schematisch zwei beispielhafte Verfahren zur Herstellung eines Trägerelements für einen Halbleiterapparat gemäß der Erfindung zeigen;
  • Figur 2A, 2B und 2C sind Aufsichten und Schnittansichten, die ein Beispiel für eine Verbundstruktur in einem Trägerelement für einen Halbleiterapparat gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, wie eine Verbindungsstruktur zwischen einem Leitungsrahmen, einem Aluminiumnitritsubstrat und einem abstrahlenden Substrat;
  • Figur 3 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines Trägerelements für einen Halbleiterapparat gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, das auf ein Wärmeableitbauteil für eine Halbleitereinrichtung wie beispielsweise lichtemittierende Dioden (LED) oder Laserdioden (LD) angewendet wurde;
  • Figur 4 zeigt eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des erfinderischen Trägerelements für einen Halbleiterapparat, die auf ein Teil einer Kapsel zum Luftabdichten einer Halbleitereinrichtung angewendet wurde, die als abdeckendes Bauteil dient; und
  • Figur 5 ist eine hervorgehobene Seitenansicht, die einen Abschnitt zeigt, an der eine Verwerfung gemessen wurde, die an einem abstrahlenden Bauteil in Verbindung mit einem Aluminiumnitritsubstrat aufgetreten ist.
  • Wie weiter oben beschrieben ist die vorliegende Erfindung angepaßt, die Technik zum Bilden eines Trägerelements für einen Halbleiterapparat zu verbessern, durch Verwendung eines isolierenden Bauteils aus Aluminiumnitrit. Aluminiumnitrit, das in Form eines gesinterten Körpers in der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, wird durch beispielsweise das folgende Verfahren gewonnen:
  • Das isolierende Bauteil, das aus einem aluminiumnitritgesinterten Körper gebildet ist, und in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist vorzugsweise hauptsächlich aus Aluminiumnitrit zusammengesetzt, das 0,01 bis 1 Gew.-% eines Elementes, das der Gruppe IIIa der Periodentabelle angehört, und 0,001 bis 0,5 Gew.-% Sauerstoff enthält, wobei seine thermische Leitfähigkeit mindestens 180 Wm-¹K-¹ beträgt. Zuerst wird eine Mischung, die ein Element der seltenen Erden enthält mit einem Pulver von Aluminiumnitrit gemischt, sodaß sein Inhalt 0,01 bis 1 Gew.-% umgesetzt in Elemente der seltenen Erden ist. Ein formender Zusatz wird aus Paraphin, PVD oder PEG bereitet. Eine Substanz wie Phenolharz wird zerlegt, um Carbon, Carbonpulver, Graphitpulver oder ähnliches zu ergeben, und wird zugegeben, um den Karbonrest in dem gesinterten Körper zu steuern. Die seltene Erdenmischung wird durch Stearinsäure, Palmitinsäure, Alkoxidnitrat, Carbonat, Hydroxid oder ähnlichem bereitet. Vorzugsweise wird eine hochmolekulare Mischung wie Stearinsäure verwendet. So eine Mischung wird geeignet angepaßt, um den Bestandteil der seltenen Erdenelemente zu reduzieren, um eine gute Mischung mit Aluminiumnitritpulver zu erreichen. Insbesondere ist Stearinsäure in Hinsicht auf die Mischbarkeit mit Aluminiumnitritpulver, die Menge an Restcarbon usw. am meisten vorzuziehen, neben seiner Funktion als formender Zusatz. Das Aluminiumnitritpulver muß aus kleinen einheitliche Partikel bestehen. Vorzugsweise soll die mittlere Teilchengröße nicht mehr als 1 um betragen, und der Sauerstoffbestandteil soll nicht mehr als 2,0 Gew.-% ausmachen. Ein solches Aluminiumnitritpulver wird durch ein Reduktionsnitrierverf ahren (Verfahren durch Nitrierreduktion von Aluminiumoxid) gewonnen, weil es schwierig ist, das gleiche durch ein direktes Nitrierverfahren (Verfahren durch Nitrierung von Metallaluminium) zu erhalten.
  • Um das Pulver durch direkte Nitrierverfahren zu erhalten, muß die Reaktionskontrolle, Klassifikation der Teilchengröße und ähnliches ausreichend berücksichtigt werden.
  • Dann wird das vermischte Pulver in eine vorgeschriebene Konfiguration geformt und in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, die Stickstoff enthält, gesintert. Um hohe thermische Leitfähigkeit zu erhalten, ist es vorzuziehen, die Substanz bei einer Temperatur von 1000 bis 2100ºC für mindestens fünf Stunden zu sintern, so daß seine mittlere Teilchengröße mindestens bei 5 um liegt. Nach einem solchen Sintern ist es vorzuziehen, den Kühlschritt schnell durchzuführen. Wenn die Substanz langsam gekühlt wird, wird ein gesinterter Zusatz ausgefällt, und die gesinterte Oberfläche wird extrem gestört. Daher wird der gesinterte Körper vorzugsweise auf eine Temperatur von 1500ºC bei einer Rate von mindestens 200ºC/h abgekühlt. Der Schritt zur Bildung einer metallisierten Schicht auf der Oberfläche des Substrats, das durch den gesinterten Aluminiumnitritkörper gebildet wird, wird im folgenden beschrieben:
  • Zuerst wird das Substrat aus gesintertem Aluminiumnitritkörper in der vorgeschriebenen Weise gebildet. Ein Material für die metallisierte Schicht wird aus einem Knetpulver aus einer Calciummischung, einer Aluminiummischung und Metallpulver von Wolfram oder Molybdän mit Zusatz eines organischen Bindemittels als Träger bereitet, um eine Metallpaste zu ergeben. Der Bestandteil der jeweiligen Komponenten kann in einem Bereich zwischen 40 bis 98 Gew.-% des Metallpulvers, 1 bis 25 Gew.-% der Aluminiummischung und 1 bis 35 Gew.-% des Calciumoxids liegen. Um den späteren Schritt des Sinterns bei niedriger Temperatur auszuführen, kann Kupfer oder Nickel als Katalysator zur Verminderung der Sintertemperatur zugegeben werden. Die Metallpaste, die so hergestellt wurde, wird auf die Oberfläche des Substrates, das aus gesintertem Aluminiumnitritkörper gebildet wurde, aufgetragen. Das Substrat aus gesintertem Aluminiumnitritkörper wird in einer inerten Atmosphäre aus Stickstoff oder ähnlichem bei einer Temperatur von 1500 bis 1800ºC mit der metallisierten Schicht auf seiner Oberfläche gebrannt. Eine metallisierte Schicht, die aus Metallpulver von Wolfram bereitet wurde, und 1 bis 10 Gew.-% Aluminiumoxid enthält, das als Aluminiummischung angewendet wurde, und 1 bis 20 Gew.-% von Calciumoxid enthält, oder die aus Metallpulver aus Molybdän bereitet wurde und 1 bis 10 Gew.-% Aluminiumoxid, angewendet als Aluminiummischung, und 1 bis 35 Gew.-% von Kalciumoxid enthält, ist vorzuziehen in Hinsicht auf die Wärmeleitfähigkeit und auf die Haftung zwischen der metallisierten Schicht und dem Substrat, das aus gesintertem Aluminiumnitritkörper gebildet wurde.
  • Die Schritte zur Bildung der metallisierten Schicht auf der Oberfläche des Substrats, das aus gesintertem Aluminiumnitritkörper gebildet wurde, können wie folgt durch Sintern eines Aluminiumnitritkörpers, der mit einer Metallpaste beschichtet wurde, zur gleichen Zeit durchgeführt werden.
  • Zuerst wird ein Substrat des Aluminiumnitritkörpers durch Formen des oben erwähnten gemischten Pulvers in eine vorgeschriebene Konfiguration wie zum Beispiel einem Rohblatt gebildet. Ein Material für die metallisierte Schicht wird aus dem Knetpulver von Wolfram und mindestens einem Additiv, das aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrit, Calciumoxid, Yttriumoxid und Stearinsäureyttrium und ähnlichem gewählt wurde, um eine Metallpaste ähnlich wie die obige zu liefern. Die so hergestellte Metallpaste wird auf die Oberfläche des Substrats aus dem Aluminiumnitritkörper durch Drucken oder Beschichten aufgetragen. Das Substrat, das aus dem Aluminiumnitritkörper gebildet wurde, wird mit der Metallpaste unter ähnlichen Bedingungen wie oben gesintert, um mit einer metallisierten Schicht auf der Oberfläche eines Substrats, das aus einem gesinterten Aluminiumnitritkörper gebildet wurde, versehen zu werden. Auf diese Weise wird der gesinterte Aluminiumnitritkörper mit der metallisierten Schicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, erhalten.
  • Nun wird ein typisches Verfahren zur Bildung des Trägerelements für einen Halbleiterapparat gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Figuren 1A und 1B sind Zeichnungen, die zwei Verfahren zur Herstellung eines Trägerelements für einen Halbleiterapparat gemäß der Erfindung zeigen. Mit Bezug auf Figur 1A wird zuerst ein gesintertes Aluminiumnitritsubstrat hergestellt. Dann wird die Metallpaste, die in dem oben beschriebenen Verfahren erhalten wurde, auf die Oberfläche des gesinterten Aluminiumnitritsubstrates angewendet. Danach wird die so angewendete Metallpaste getrocknet. Dann wird das gesinterte Aluminiumnitritsubstrat in einer inerten Gasatmosphäre gebrannt, die auf die vorgeschriebene Temperatur geheizt wird.
  • Die obigen Schritte können wie folgt durchgeführt werden. Mit Bezug auf Figur 1B wird zuerst ein Aluminiumnitritsubstrat bereitet. Dann wird die Metallpaste, die nach der oben erwähnten Weise erhalten wurde, auf die Oberfläche des Aluminiumnitritsubstrates aufgetragen. Danach wird die Metallpaste, die so angewendet wurde, getrocknet. Dann wird das Aluminiumnitritsubstrat mit der Metallpaste in einer inerten Gasatmospäre gesintert, die auf die vorgeschriebene Temperatur geheizt wurde. Auf diese Weise wird ein gesintertes Aluminiumnitritsubstrat mit einer metallisierten Schicht gebildet.
  • Nachdem eine metallisierte Schicht auf dem gesinterten Aluminiumnitritsubstrat gebildet wurde, wird ein Nickelplattierung auf der Oberfläche der metallisierten Schicht durchgeführt. Eine Wärmebehandlung bei Temperaturen von ungefähr 800ºC wird durchgeführt, um die Nickelplattierung zu sintern, wodurch die Festigkeit und die Luftdichte derselben verbessert wird. Auf der anderen Seite wird die Nickelplattierung ebenfalls auf der Oberfläche eines Wärmeableitbauteils ausgeführt, das als abstrahlendes Bauteil dient, und das mit dem gesinterten Aluminiumnitritsubstrat ähnlich wie oben verbunden wird. Dann wird die Lötung auf der Oberfläche der Nikkelplattierung ausgeführt, um das gesinterte Aluminiumnitritsubstrat mit dem Wärmeableitbauteil zu verbinden. Weiterhin wird eine Goldplattierung auf diesen Verbindungen ausgeführt. Auf diese Weise kann das Trägerelement für einen Halbleiterapparat gemäß der Erfindung hergestellt werden.
  • Es wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen eine Ausführungsform eines Trägerelements für einen Halbleiterapparat gemäß einem Aspekt der Erfindung beschrieben, die entsprechend der vorher genannten Schritten hergestellt wurde, wobei ein solches Trägerelement ein Aluminiumnitritsubstrat umfaßt, das mit einem Leiterrahmen auf seiner Oberfläche und mit einem Wärmeableitbauteil auf seiner Rückseite verbunden ist.
  • Figur 2A ist eine Aufsicht, die eine Ausführungsform zeigt, die auf ein Substrat zum Tragen einer Halbleitereinrichtung angewendet wurde, Figur 2B ist ein Querschnitt des Substrats und Figur 2C ist eine Teilansicht, die eine Verbindung zwischen einem Wärmeableitbauteil 6 und einem Aluminiumnitritsubstrat 1 im Detail zeigt. Mit Bezug auf diese Figuren ist das Aluminiumnitritsubstrat 1, welches das erfinderische Trägerelement für einen Halbleiterapparat ausführt, teilweise auf seiner Oberfläche mit einer metallisierten Schicht 2 in Übereinstimmung mit den vorher erwähnten Schritten versehen, und ein Leiterrahmen 3 ist mit der metal1isierten Schicht 2 durch Löten mit einem Lötmetall oder ähnlichem verbunden. Eine andere metallisierte Schicht 2 ist auf einem Teil der Rückfläche des Aluminiumnitritsubstrats 1 gemäß den vorher genannten Schritten gebildet, während das Wärmeableitbauteil 6 mit der metallisierten Schicht 2 durch Löten mit einem Lötmetall oder ähnlichem verbunden ist. Eine Halbleitereinrichtung 4, wie beispielsweise ein FET von hoher Wärmeleistung, wird auf einer vorgeschriebenen Position auf dem Aluminiumnitritsubstrat 1 getragen, um mit der metallisierten Schicht 2 oder dem Leiterrahmen 3 durch Verbunddrähte 5 verbunden zu werden. Wie in Figur 2C gezeigt, wird eine dünne Plattierungsschicht 8 auf der metallisierten Schicht 2 in der Verbindung zwischen dem Aluminiumnitritsubstrat 1 und dem Wärmeableitbauteil 6 gebildet, während eine Plattierungsschicht 7 nötigenfalls auf der Oberfläche des Wärmeableitbauteils 6 gebildet wird, um die Benetzbarkeit des Lötmetalls 9 zu stabilisieren.
  • Es wird nun mit Bezug auf Figur 3 eine andere Ausführungsform für ein Trägerelement für einen Halbleiterapparat gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben, die auf ein abstrahlendes Bauteil zum Tragen einer Halbleitereinrichtung wie Dioden mit hoher Wärmeleistung angewendet wird. Mit Bezug auf Figur 3 ist ein Aluminiumnitritsubstrat 1 auf einem Wärmeableitbauteil 6 angeordnet, das als abstrahlendes Bauteil dient und im wesentlichen aus Metallmaterial in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch eine metallisierte Schicht 2 ähnlich wie oben gebildet ist, während eine Halbleitereinrichtung 4, wie eine lichtemittierende Diode (LED) oder Laserdiode (LD), mit dem Aluminiumnitritsubstrat 1 verbunden ist. Die Halbleitereinrichtung 4 ist mit einer anderen metallisierten Schicht 2 verbunden, die auf der Oberfläche des Aluminiumnitritsubstrates 1 gebildet ist. In diesem Fall dient das Aluminiumnitritsubstrat 1 als ein Wärmeableitbauteil. Das Aluminiumnitritsubstrat 1 und das Wärmeableitbauteil 6 sind miteinander in ähnlicher Weise wie oben beschrieben mit Bezug auf die Verbindungsstruktur zwischen dem Aluminiuinnitritsubstrat verbunden, das mit einem Leiterrahmen und mit dem Wärmeableitbauteil verbunden ist.
  • Es wird nun mit Bezug auf Figur 4 die Struktur einer Kapsel beschrieben, auf welche ein Trägerelement für einen Halbleiterapparat gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Eine metallisierte Schicht 2 wird auf der Oberfläche des äußeren Endteils des Abdeckbauteils 11 angebracht, das durch den gesinterten Aluminiumkörper gebildet wird. Ein Rahmenbauteil 13, das aus einer Schicht aus Metall wie beispielsweise Eisen-Nickel-Legierung gebildet wurde, wird mit der metallisierten Schicht 2 durch ein Lötmetall oder ähnliches verbunden. Das untere Ende des Rahmenbauteils 13 wird mit einem Keramiksubstrat 101 durch eine andere metallisierte Schicht 2 verbunden. Eine Halbleitereinrichtung 4 ist auf dem Keramiksubstrat 101 angeordnet. Ein Wärmeableitbauteil 6 ist auf der oberen Fläche des Abdeckbauteils 11 angebracht, so daß Wärme, die durch die Halbleitereinrichtung 4 erzeugt wird, über das Wärmeableitbauteil 6 durch das Abdeckbauteil 11 abgegeben wird, um den Kühleffekt zu erhöhen. Das Abdeckbauteil 11 aus gesintertem Aluminiumnitritkörper und das Wärmeableitbauteil 6 sind miteinander in ähnlicher Weise wie oben beschrieben im Bezug auf die Verbindungsstruktur zwischen dem Aluminiumnitritsubstrat, das mit dem Leiterrahmen und dem Wärmeableitbauteil versehen ist, verbunden. Das Lötmetall, das in solchen Verbindungen vorzugsweise verwendet wird, ist Silberlötmittel, wohingegen ein anderes Lötmaterial ebenso möglich ist, insoweit, als eine dünne Metallschicht, die eine gute Benetzbarkeit mit dem Lötmaterial hat, auf der Verbindungsoberfläche des Wärmeableitbauteils 6 oder der metallisierten Schicht 2 gebildet werden kann, um das Abdeckbauteil 11 und das Wärmeableitbauteil 6 fest miteinander zu verbinden. Die Funktion einer solchen dünnen Metallschicht wie eine Plattierungsschicht ist wie oben beschrieben mit Bezug auf das Beispiel einer Bindungsstruktur zwischen dem Aluminiumnitritsubstrat, das mit dem Leiterrahmen versehen ist, und dem Wärmeableitbauteil.
  • Im folgenden werden Beispiele 1 bis 12 beschrieben, die unter Verwendung von Proben ausgeführt wurden, die aus Substraten aus gesinterten Aluminiumnitritkörper hergestellt wurden, wie in dem oben beschriebenen Verfahren.
    • Beispiel 1
  • Gesintertes Aluminiumnitritsubstrat von 1,3 mm Dicke wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren bereitet und einer Metallisierung unterworfen. Der Metallisierungsprozeß wurde ausgeführt durch Anwendung einer Metallpaste der vorgeschriebenen Zusammensetzung auf die Oberfläche jeweiliger Proben des gesinterten Aluminiumnitritsubstrates, entbinden und dann trennen desselben in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1600ºC für 60 Minuten. Auf diese Weise werden metallisierte Schichten auf vorgeschriebenen Stellen des gesinterten Aluminiumnitritsubstrates gebildet. Die Metallpaste wurde durch Zugabe von Calciumoxidpulver und Aluminiumoxidpulver zu Wolframpulver und Kneten desselben mit einem organischen Bindemittel als Träger hergestellt. Der Bestandteil von Calciumoxid liegt bei 14 Gew.-% und der von Aluminiumoxid bei 4 Gew.-%. Die Fläche des gesinterten Aluminiumnitritsubstrats ist 5 mm², 20 mm² und 50 mm² respektive.
  • Weiterhin wurden Nickelplattierungsschichten von 2 um Dicke auf der Oberfläche der metallisierten Schicht hergestellt. Auf der anderen Seite wurden Wolframmetallplatten und Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten von 1,5 mm Dicke als abstrahlende Bauteile hergestellt, die mit den jeweiligen gesinterten Aluminiumnitritsubstraten verbunden werden. Nickelplattierungen von 2 um Dicke wurden auf der Oberfläche dieser Metallplatten hergestellt, die dann mit den jeweiligen gesinterten Aluminiumnitritsubstraten durch Silberlötmittel bei einer Temperatur von 830 bis 950ºC verlötet wurden.
  • Es wurde untersucht, ob das gesinterte Aluminiumnitritsubstrat Risse zeigt und ob die Wolframmetallplatte und die Kupfer-Wolfram-Legierungsplatte in den jeweiligen Proben verworfen wurden. Wie in Figur 5 gezeigt ist, wurden ein gesintertes Aluminiumnitritsubstrat 1 und ein Wärmeableitbauteil 6 von jeder Probe miteinander verbunden, um den Grad der Verwerfung als Betrag A durch einen Oberflächenrauhheitstester (Produkt von Tokyo Seimitsu: E-SP-S01A) zu untersuchen. Risse, die durch das jeweilige gesinterte Aluminiumnitritsubstrat verursacht wurden, wurden mit Hilfe eines Elektronenmikroskop von 5000facher Vergrößerung oder eines Stereomikroskop von 40facher Vergrößerung beobachtet. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse: In Hinsicht auf die Untersuchung der Verwerfung wurden solche mit nicht mehr als 2 um pro effektive Länge von 1 mm als "keine Verwerfung" betrachtet, wohingegen Proben, die auf Verwerfungen von mehr als 2 um pro 1 mm effektive Länge führten, als "Verwerfungen" angesehen wurden.
  • "10Cu-W" und "20Cu-W" in Tabelle 1 stellen Bezugsbeispiele dar, die aus Kupfer-Wolfram-Legierungen mit 10 Gew.-% bzw. 20 Gew.-% Kupfer hergestellt wurden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wolframmetallplatten war 4,5 x 10&supmin;&sup6;/K und die Wärmeleitfähigkeit derselben war 168 W/mK. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kupfer-Wolfram-Legierungen 10Cu- W und 20Cu-W waren 6,5 bis 7,5 x 10-6/K und 8,5 bis 9,5 x 10- 6/K im Bereich von Raumtemperatur bis 950ºC. Die Werte der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer-Wolfram-Legierung 10Cu-W und 20Cu-W waren 210 W/mK bzw. 246 W/mK.
  • Gemäß Tabelle 1 waren die Bezugsbeispiele, die durch Verbindung der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten mit 10 Gew.-% bzw. 20 Gew.-% Kupfer mit dem gesinterte Aluminiumnitritsubstraten hergestellt wurden, verworfen und gerissen. Auf der anderen Seite wurden weder Risse noch Verwerfungen in den Proben gemäß der Erfindung festgestellt, bei denen Wolframplatten mit dem gesinterten Aluminiumnitritsubstrat verbunden wurden. Tabelle 1 Probe keine Verwerfungen (keine Risse) verworfen (keine Risse) verworfen (gerissen)
    • Beispiel 2
  • Eine Goldplattierung von 3 um Dicke wurde auf der Oberfläche der Probe von ähnlichem Zuschnitt wie Beispiel 1 ausgeführt. Der Metallisierungsprozeß der Proben wurde durch Anwendung von Wolframpaste der beschriebenen Zusammensetzung auf die Oberfläche der jeweiligen Proben der Aluminiumsubstrate angewendet, die in einer Konfiguration wie z.B. Rohblätter durch die oben erwähnten Verfahren mit Aufdrucken eines vorgeschriebenen Musters, Trocknen, Entbinden und dann Sintern in einer Stickstoffatmosphäre von 1850ºC 5 Stunden lang gebildet wurden. Auf diese Weise wurden auf vorgeschriebenen Abschnitten des gesinterten Aluminiumnitrit-substrates metallisierte Schichten gebildet. Vor dem obigen Goldplattieren wurden Nickelplattierungsschichten von 2 um Dicke auf der metallisierten Schicht gebildet und in einer Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen von 750ºC für 20 Minuten gesintert. Dann wurden die gesinterten Aluminiumnitritsubstrate mit den Wolframmetallplatten oder Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten durch Goldlöten bei Temperaturen von 450 bis 550ºC verbunden.
  • Es wurde untersucht, ob Risse im gesinterten Aluminiumnitritsubstrat und Verwerfungen der Wolframmetallplatte und der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatte ähnlich wie bei Beispiel 1 vorliegen. Tabelle 2 zeigt das Ergebnis.
  • Nach Tabelle 2 traten keine Verwerfungen oder Risse in den Proben auf, die durch Verbinden einer Wolframmetallplatte mit den gesinterten Aluminiumnitritsubstraten erhalten wurden. Tabelle 2 Probe keine Verwerfung (kein Riß) verworfen (kein Riß) verworfen (gerissen)
  • Ein Wärmezyklustest (-55ºC bis +150ºC, 1000 Zyklen) wurde mit den Proben ausgeführt und führte weder zu Verwerfungen noch zu Rissen in Beispiel 1 und 2 und es traten auch keine sonstigen Probleme auf.
    • Beispiel 3
  • An Proben, die einer Goldplattierung unterworfen wurden, ähnlich wie bei Beispiel 2, wurde eine Lötung mit Blei-Indium-Lötmittel bei Temperaturen von 250 bis 300ºC durchgeführt und danach ein Wärmezyklustest (-55ºC bis +150ºC, 1000 Zyklen) ausgeführt. Die Strukturen innerhalb der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und metallisierten Schichten wurden in den jeweiligen Proben untersucht, um den Grad des Reißens und den Zustand des Krümmens der Wolframmetallplatte und der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten festzustellen. Tabelle 3 zeigt das Ergebnis. Das Verfahren zum Feststellen von Rissen und Verwerfungen ist das gleiche wie das in Beispiel 1.
  • Gemäß Tabelle 3 wurden keine Verwerfungen oder Risse in den Proben festgestellt, die durch Verbinden von Kupfermetallplatten mit gesinterten Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Tabelle 3 Probe keine Verwerfung (kein Riß) keine Verwerfung (gerissen) verworfen (verworfen)
    • Beispiel 4
  • Proben, die durch Nickelplattierung von 2 um Dicke auf gesinterten Aluminiumnitritsubstraten von 1,3 mm Dicke, die mit metallisierten Schichten ähnlich wie in Beispiel 1 versehen sind, erhalten wurden, wurden mit Wolframlegierungsplatten von 1,5 mm Dicke, die eine Zusammensetzung wie in Tabelle 4 gezeigt aufweisen, wobei die Oberflächen derselben nikkelplattiert waren, durch Silberlötung bei Temperaturen von 830 bis 950ºC verlötet. Eine Untersuchung der jeweiligen Proben auf Risse im gesinterten Aluminiumnitritsubstrat und Verwerfungen der Wolframlegierungsplatten wurde ausgeführt. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse. In der Kolumne der Wolframlegierungsplatten von Tabelle 4 stellt beispielsweise "Ni-1Cu- W" eine Wolframlegierung dar, die 5 Gew.-% Nikkel und 1 Gew.- % Kupfer enthält. Diese Bezeichnung der Wolframlegierungsplatten findet sich auch in Tabelle 5 und 6, welche die Beispiele 5 und 6 weiter unten betreffen. Das Symbol * markiert die Bezugsbeispiele. Tabelle 4 zeigt die Werte der thermischen Leitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kupferlegierungsplatten.
  • Nach Tabelle 4 wurden keine Verwerfungen oder Risse in den Proben gefunden, die durch Verbinden von Wolframlegierungsplatten mit Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten worden sind. Tabelle 4 Thermische Leitfähigkeit (W/mK) Wärmeausdehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup6;K&supmin;¹) Wolframlegierungsplatte Probe keine Verwerfung (kein Riß) verworfen (gerissen)
    • Beispiel 5
  • Eine Goldplattierung wurde auf den Oberflächen der Proben ähnlichen denen von Beispiel 4 ausgeführt, und dann gesinterte Aluminiumnitritsubstrate an verschiedene Typen von Wolframlegierungsplatten durch Goldlötmittel bei einer Temperatur zwischen 450 und 550ºC angelötet. Eine Untersuchung der jeweiligen Probenaufrisse der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und Verwerfungen der Wolframlegierungsplatten wurde ausgeführt. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse.
  • Gemäß Tabelle 5 wurde keine Verwerfung und kein Riß in den Proben gefunden, die durch Verbindung von Wolframlegierungsplatten mit gesinterten Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten worden sind.
  • Ein Wärmezyklustest (-55ºC bis +150ºC, 1000 Zyklen) wurde mit den Proben ausgeführt und keine Verwerfungen oder Risse in den Beispielen 4 und 5 festgestellt und es traten auch keine Probleme auf. Tabelle 5 Thermische Leitfähigkeit (W/mK) Wärmeausdehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup6;K&supmin;¹) Wolframlegierungsplatte Probe keine Verwerfung (kein Riß) verworfen (kein Riß)
    • Beispiel 6
  • In den Proben, deren Oberflächen einer Goldplattierung nach Beispiel 5 unterworfen wurden, wurden gesinterte Aluminiumnitritsubstrate mit verschiedenen Typen von Wolframlegierungsplatten durch Blei-Indium-Lötmittel bei Temperaturen von 250 bis 300ºC zusammengelötet, um einen Wärmezyklustest (-55ºC bis +150ºC, 1000 Zyklen) auszuführen. Die Strukturen im Inneren des gesinterten Aluminiumnitritsubstrates und der metallisierten Schichten wurden in den jeweiligen Proben untersucht, um die Anwesenheit/Abwesenheit von Rissen in den gesinterten Aluminiumnitritsubstraten und den Zustand der Verwerfungen der Wolframlegierungsplatten festzustellen. Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse.
  • Gemäß Tabelle 6 wurden keine Verwerfungen oder Risse in den Proben festgestellt, die durch Verbindung von Wolframlegierungsplatten mit gesinterten Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurden. Tabelle 6 Thermische Leitfähigkeit (W/mK) Wärmeausdehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup6;K&supmin;¹) Wolframlegierungsplatte Probe keine Verwerfung (kein Riß) keine Verwerfung (gerissen) verworfen (gerissen)
    • Beispiel 7
  • Proben, die durch Nickelplattierung von 2 um Dicke von gesinterten Aluminiumnitritsubstraten von 1,3 mm Dicke erhalten wurden, die durch metallisierte Schichten wie in Beispiel 1 gebildet wurden, wurden mit Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten von 1,5 mm Dicke zusammengelötet, wobei die Oberfläche derselben einer Nickelplattierung von 2 um Dicke ausgesetzt wurde, durch Silberlötung bei Temperaturen von 830 bis 950ºC. Eine Untersuchung der so erhaltenen Proben auf Risse der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und Verwerfungen der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten durch die Meßverfahren von Beispiel 1 wurde ausgeführt.
  • Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse. Die Typen von Wolframlegierungsplatten und die Untersuchung der Verwerfungen sind in ähnlicher Weise wie in Tabelle 1 markiert. "6Cu-W", "10Cu- W" und "20Cu-W" stellen Bezugsbeispiele dar.
  • Nach Tabelle 7 wurden keine Verwerfungen oder Risse festgestellt in den Proben, die durch Verbindung von Kupfer- Wolfram-Legierungsplatten mit gesinterten Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.
  • Weiterhin wurden metallisierte Schichten der vorher erwähnten Zusammensetzung auf den vorgeschriebenen Oberflächen der Proben aus gesintertem Aluminiumnitritsubstraten gebildet, und Nickelplattierungsschichten von 2 bis 3 um Dicke, und Goldplattierungsschichten von 2 bis 3 um Dicke wurden nacheinander auf derselben gebildet. Ferner wurden Feld-effekthochleistungstransistoren gelötet/angeordnet auf den Oberflächen der Plattierungsschichten durch Gold-Silikon-Lötmaterialien. In jeder Probe wurden Veränderung VBE in der Vorwärtsspannung VBE über den Emitter und die Base des Transistors, die durch Spannungsanlegung verursacht wurden, durch die VBE Methode gemessen, um den Wärmewiderstand des ganzen Produkts festzustellen, das integral aus dem Transistor, dem gesinterten Aluminiumnitritsubstrat und der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatte gebildet wurde. Der so in jeder Probe gemessene Wärmewiderstandswert war nicht höher als ungefähr 1,9ºC/W. So ist zu verstehen, daß ein Substrat zum Tragen einer Halbleitereinrichtung aus Aluminiumnitritsubstrat unter Verwendung von Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten als ein abstrahlendes Bauteil in Hinsicht auf thermische Leitfähigkeit geeignet gebildet werden kann. Tabelle 7 Thermische Leitfähigkeit (W/mK) Wärmeausdehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup6;K&supmin;¹) Wolframlegierungsplatte Probe keine Verwerfung (kein Riß) verworfen (kein Riß)
    • Beispiel 8
  • Eine Goldplattierung von 3 um Dicke wurde auf der Oberfläche jeweiliger Proben ähnlich wie in Beispiel 7 angewendet und gesinterte Aluminiumnitritsubstrate und gesinterte Aluminiumnitritsubstrate und Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten wurden durch Goldlötung bei einer Temperatur von 450 bis 550ºC miteinander verbunden. Eine Untersuchung der jeweiligen Proben auf Risse der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und Verwerfung der Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten wurde ausgeführt. Tabelle 8 zeigt die Ergebnisse. Gemäß Tabelle 8 wurden keine Risse oder Verwerfungen in den Proben festgestellt, die durch Verbinden einer Kupfer-Wolfram-Legierungsplatte mit einem gesinterten Aluminiumnitritsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.
  • Ein Wärmezyklustest (-55ºC bis +150ºC, 1000 Zyklen) wurde auf den nicht gestörten Proben von Beispiel 7 und 8 ausgeführt, und führte weder zu Rissen noch zu Verwerfungen und es traten auch keine anderen Probleme auf. Tabelle 8 Thermische Leitfähigkeit (W/mK) Wärmeausdehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup6;K&supmin;¹) Wolframlegierungsplatte Probe keine Verwerfung (kein Riß) verworfen (kein Riß) verworfen (gerissen)
    • Beispiel 9
  • Löten von jeweiligen Proben, die einer Goldplattierung, ähnlich wie Beispiel 8 unterworfen waren, durch Blei-Indium- Löten bei Temperaturen von 250 bis 300ºC wurde ausgeführt, um danach einen Wärmezyklustest (-55ºC bis +150ºC, 1000 Zyklen) auszuführen. Strukturen im Inneren der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und metallisierten Schichten wurden in den jeweiligen Beispielen untersucht, um Risse der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und Verwerfungen der Kupfer-Wolfram- Legierungsplatten festzustellen. Tabelle 9 zeigt die Ergebnisse.
  • Gemäß Tabelle 9 wurden keine Risse oder Verwerfungen in den Proben festgestellt, die durch Verbinden einer Kupfer-Wolfram-Legierungsplatte mit einem gesinterten Aluminiumnitritsubstrat gemäß der vorliegende Erfindung hergestellt wurden. Tabelle 9 Thermische Leitfähigkeit (W/mK) Wärmeausdehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup6;K&supmin;¹) Wolframlegierungsplatte Probe keine Verwerfung (kein Riß) keine Verwerfung (gerissen) verworfen (gerissen)
    • Beispiel 10
  • Jeweilige Proben, die durch Nickelplattierung von 2 um Dicke auf den Oberflächen von gesinterten Aluminiumnitritsubstraten von 1,3 mm Dicke mit metallisierten Schichten ähnlich wie Beispiel 1 erhalten wurden, wurden mit Molybdänmetallplatten oder Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten von 1,5 mm Dicke, die einer Nickelplattierung von 2 um Dicke ausgesetzt waren, durch Silberlöten bei Temperaturen von 830 bis 950ºC verbunden. Eine Untersuchung der jeweiligen Proben auf Risse der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und Verwerfungen der Molybdänmetallplatten oder Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten wurde durchgeführt. Tabelle 10 zeigt die Ergebnisse. Eine Untersuchung der Verwerfungen und eine Kennzeichnung der Typen der Kupfer-Wolfram-Legierungen ist ähnlich wie in Tabelle 1.
  • Gemäß Tabelle 10 wurden keine Verwerfungen oder Risse in den Proben festgestellt, die durch Verbinden von Molybdänmetallplatten mit gesinterten Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Tabelle 10 Probe keine Verwerfung (kein Riß) verworfen (kein Riß) verworfen (gerissen)
    • Beispiel 11
  • Goldplattierung von 3 um Dicke wurde auf der Oberfläche von jeweiligen Proben ähnlich wie denen von Beispiel 10 ausgeführt und danach gesinterte Aluminiumnitritsubstrate mit Molybdänmetallplatten oder Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten durch Goldlötung bei Temperaturen von 450 bis 550ºC verbunden. Eine Untersuchung der Proben auf Risse in den gesinterten Aluminiumnitritsubstraten oder Verwerfungen der Molybdänmetallplatten oder Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten wurde durchgeführt. Tabelle 11 zeigt die Ergebnisse.
  • Nach Tabelle 11 wurden keine Risse oder Verwerfungen festgestellt in den Proben, die durch Verbinden von Molybdänmetallplatten mit gesinterten Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
  • Ein Wärmezyklustest (-55ºC bis +150ºC, 1000 Zyklen) wurde an den nichtgestörten Proben durchgeführt und führte weder zu Verwerfungen noch zu Rissen in den Beispielen 10 und 11 und es wurden auch keine anderen Probleme festgestellt. Tabelle 11 Probe keine Verwerfung (kein Riß) verworfen (kein Riß) verworfen (gerissen)
    • Beispiel 12
  • Löten von jeweiligen Proben, die einer Goldplattierung ähnlich wie in Beispiel 11 unterworfen waren, durch Blei-Indiumlötmittel bei Temperaturen von 250 bis 300ºC wurde durchgeführt und danach ein Wärmezyklustest (-55 bis +150ºC, 1000 Zyklen) ausgeführt. Strukturen im Inneren der gesinterten Aluminiumnitritsubstrate und metallisierten Schichten wurden untersucht in den jeweiligen Proben, um Risse in den ges interten Aluminiumnitritsubstraten und den Zustand der Verwerfungen der Molybdänmetallplatten und Kupfer-Wolfram-Legierungsplatten festzustellen.
  • Tabelle 12 zeigt die Ergebnisse. Gemäß Tabelle 12 wurden keine Risse oder Verwerfungen festgestellt in den Proben, die durch Verbinden von Molybdänmetallplatten mit gesinterten Aluminiumnitritsubstraten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Tabelle 12 Probe keine Verwerfung (kein Riß) keine Verwerfungfen) (gerissen) verworfen (gerissen)
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben worden ist, ist klar zu verstehen, daß es sich nur um ein erläuternden Beispiel und nicht um eine Beschränkung handelt, und der Rahmen der Erfindung nur durch die anhängenden Ansprüche eingeschränkt wird.

Claims (10)

1. Trägerelement für einen Halbleiterapparat zum Tragen oder Halten einer Halbleitereinrichtung, wobei das Trägerelement umfaßt:
- ein isolierendes Bauteil (1), das aus einem gesinterten Aluminiumnitritkörper besteht, der eine Hauptfläche aufweist, die dem Halbleiterelement zugekehrt ist, und
- ein abstrahlendes Bauteil (6), das mit dem isolierenden Bauteil (1) verbunden ist, und das hauptsächlich aus einem Metallmaterial gebildet wird, das aus einer Gruppe von Wolfram, Molybdän oder Wolframlegierungen besteht, und das nicht mehr als 10 Gew.-% von mindestens einem Metall enthält, das aus der Gruppe von Nickel, Kupfer-Eisen und Kobalt gewählt wurde, und eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 120W/mK und einen Wärmeausdehnungs-koeffizienten in dem Bereich zwischen 4 und 6 x 10&supmin;&sup6;/K aufweist.
2. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 1, worin das Metallmaterial eine Wolframlegierung umfaßt, die nicht mehr als 5 Gew.-% von Kupfer enthält.
3. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 1, worin das isolierende Bauteil ein Substrat umfaßt, das eine Hauptfläche aufweist, auf welcher das Halbleiter-element vergesehen ist.
4. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 1, worin das isolierende Bauteil ein abdeckendes Bauteil einschließt, das an dem Halbleiterelement vorgesehen ist, um dieses zu schützen.
5. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 1, worin das isolierende Bauteil einen gesinterten Körper enthält.
6. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 1, das weiterhin eine metallisierte Schicht umfaßt, die in einer Verbindungsfläche zwischen dem isolierenden Bauteil und dem wärmeabstrahlenden Bauteil gebildet wird.
7. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 6, worin die metallisierte Schicht zumindest ein Metall von Wolfram und Molybdän und zumindest eine Aluminiummischung, die aus einer Gruppe von Aluminiumnitrit, Aluminiumoxid und Aluminiumoxidnitrit und Calciumoxid gewählt wurde, enthält.
8. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 6, das weiterhin ein Lötbauteil umf aßt, um die metallisierte Schicht mit dem wärmeabstrahlenden Bauteil zu verbinden.
9. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 6, das weiterhin eine Plattierungsschicht enthält, die in einer Verbindungsfläche zwischen der metallisierten Schicht und der Lötungsschicht gebildet ist.
10. Trägerelement für einen Halbleiterapparat nach Anspruch 9, das weiterhin eine Plattierungsschicht umfaßt, die in einer Verbindungsschicht zwischen dem wärmeabstrahlenden Bauteil und dem Lötbauteil gebildet ist.
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