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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Keramiksubstrat, das für einen
elektrischen oder elektronischen Schaltkreis verwendet wird, und
insbesondere ein Leiterelement, das auf einer Keramikscheibe montiert
ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
typisches Beispiel für
das Keramiksubstrat ist in
1 dargestellt
und weist eine Keramikscheibe (
1) aus Aluminiumoxyd auf,
die zwischen zwei Kupferscheiben (
2,
3) eingelegt
ist, und ein Wärmeabführmittel (
4).
Die Kupferplatten (
2,
3) sind mit beiden Oberflächen der
Keramikscheibe (
1) durch ein Flüssigphasenbindungsphänomen verbunden.
Insbesondere sind die Verbindungsoberflächen der Kupferplatten (
2,
3)
zuerst oxidiert und die Keramikscheibe (
1) ist mit den
Kupferscheiben (
2,
3) auf beiden Seiten laminiert.
Während
die Keramikscheibe, die mit den Kupferscheiben (
2,
3)
laminiert wird, bei einer Temperatur von 1065 bis 1085°C erwärmt wird,
schmilzt das Kupfer und das Kupferoxyd, und die Kupferscheiben (
2,
3)
werden mit der Keramikscheibe (
1) durch eine Kupfer- und
Kupferoxyd-Deutektisches Phänomen
verbunden. Eine der Kupferscheiben (
2,
3) stellt
einen Leitungspfad zwischen den Schaltkreiskomponenten zur Verfügung und
die andere ist an das Wärmeabführmittel
(
4) bei weniger als 450°C
gelötet.
Die
EP-A-0 097 944 zeigt ein keramisches Substrat
das Leiterelemente beinhaltet, die aus Aluminium bestehen.
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Von
einem elektrischen oder elektronischen Schaltkreis wird erwartet,
daß er
komplexe Aufgaben löst und
er wird daher mit einer großen
Anzahl von Schaltungskomponenten auf einem einzelnen Keramiksubstrat hergestellt.
Der elektrische oder elektronische Schaltkreis neigt dazu, schwer
zu sein, aber vom Hersteller wird erwartet, das Gewicht des elektronischen
Schaltkreises zu verringern, um ein Elektroniksystem von handlicher Größe zur Verfügung zu
stellen. Dann sucht der Hersteller nach einem leichten Keramiksubstrat,
und ein Problem der Keramiksubstrate vom Stand der Technik ist das
Gewicht.
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Ein
anderes Problem, das den Keramiksubstraten vom Stand der Technik
inhärent
ist, ist eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen die Wiederholung
von thermischen Spannungen. Wenn der elektrische oder elektronische
Schaltkreis aktiviert ist und eine Aufgabe ausführt, wird eine große Wärmemenge
in den Schaltungskomponenten erzeugt und das Keramiksubstrat verbreitet
die Wärme
als Strahlung. Da die Kupferscheiben (2, 3) andere
thermische Ausdehnungskoeffizienten als die Keramikscheibe (1)
aufweisen, wird die Keramikscheibe thermischer Spannung unterworfen.
Wenn die Schaltung inaktiviert wird, wird keine Wärme erzeugt
und die Keramikscheibe wird von der thermischen Spannung befreit.
Auf diese Weise findet ein Erwärmungszyklus
in dem elektrischen oder elektronischen Schaltkreis statt und dementsprechend
wird das Keramiksubstrat wiederholt thermischer Spannung unterworfen.
Die thermische Spannung ist ursächlich
für Risse
in der Keramikscheibe (1) und das Keramiksubstrat kann
im schlimmsten Falle brechen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Keramiksubstrat
vorzusehen, das geringeres Gewicht aufweist.
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Es
ist eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Keramiksubstrat vorzusehen, welches große Widerstandskraft gegen die
Wiederholung von thermischer Spannung aufweist.
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Die
Erfinder haben herausgefunden, daß Kupfer eine größere statische
Last aufnehmen kann, als andere Legierungen, jedoch eine geringere
Ermüdungsgrenze
gegen wiederholte Last aufweist, als andere Metalle und Legierungen.
Insbesondere reduziert sich die Toleranz der verbleibenden Steifigkeit
für Kupfer schneller
als bei einigen Metallen und Legierungen, wie in 2 gezeigt. Wenn die wiederholte Last
einen kritischen Wert zum Brechen der Keramikscheibe erreicht, dann
sind die Toleranzen einiger anderer Metalle und Legierungen groß genug,
um eine elektrische Komponente, die darauf montiert ist, zu tragen,
aber ein relativ geringer Toleranzbetrag ist nur bei Kupfer übrig. Falls
ein Leiterelement aus einem dieser Metalle und Legierungen, die
ein geringeres spezifisches Gewicht als Kupfer aufweisen, gebildet
ist, dann sind die Probleme, die dem Keramiksubstrat vom Stand der
Technik inhärent
sind, gelöst.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
schlägt
die vorliegende Erfindung ein Keramiksubstrat gemäß dem Anspruch
1 vor.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein Keramiksubstrat vorgesehen,
das für
einen elektrischen oder elektronischen Schaltkreis verwendet wird
mit
- a) einer keramischen Scheibe, die aus einer
Substanz, hauptsächlich
zusammengesetzt aus Aluminiumnitrit gebildet ist, und
- b) Leitungselementen, die mit einer Oberfläche der Keramikscheibe verbunden
sind, und aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sind,
wobei die Leitungselemente einen Leitungspfad für zumindest eine Schaltungskomponente,
die damit verbunden ist, zur Verfügung stellen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Merkmale und Vorteile eines Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung
können
genauer der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
entnommen werden, wobei:
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1 eine Seitenansicht ist,
die die Struktur eines Keramiksubstrats vom Stand der Technik zeigt;
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2 ein Diagramm ist, das
die Festigkeit verschiedener Metalle und Legierungen sowohl in Bezug auf
statische Last als auch in Bezug auf wiederholt Last darstellt;
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3 eine Schnittansicht ist,
die die Struktur eines Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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4 ein Diagramm ist, das
die Verformung eines Keramiksubstrats in Bezug auf ein Verhältnis von Dicken
zwischen jedem metallischen Leiterelement und einem metallischen
Wärmeabführmittel
darstellt;
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5 ein Diagramm ist, das
die Anzahl von Wärmezyklen
zeigt, die auf ein Keramiksubstrat in Bezug auf einem Aluminiumanteil
ausgeübt
werden;
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6 eine Schnittansicht ist,
die die Struktur eines anderen Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Erste Ausführungsform
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Bezugnehmend
auf die 3 der Zeichnungen,
wird ein Keramiksubstrat, das die vorliegend Erfindung ausführt, mit
einer Keramikscheibe (11), metallischen Leiterelementen
(12) und einem metallischen Wärmeabführmittel (14) gezeigt.
Die Keramikscheibe (11) weist ca. 95% Aluminiumnitrit (AlN),
ca. 5% Yttriumoxid (Y2O3) und gelegentliche Verunreinigungen auf
und die metallischen Leiterelemente (12, 13) und
das metallische Wärmeabführmittel
(14) sind mit beiden Flächen
der Keramikscheibe (11) mit einer Lötlegierung (15) verbunden.
Das metallische Leiterelement (12) hat in der Regel eine
rechteckige Oberfläche
und das metallische Leiterelement (12) hat eine in der
Regel L-förmige
Oberfläche,
um sich von der Rückseite
der metallischen Leiterelemente (12) zu erstrecken. Die
Wärmeleitfähigkeit
von Aluminiumnitrit reicht von 50 bis 270 Watt/(Meter × Kelvin)
und ist größer als
diejenige von Aluminiumoxyd, die zwischen 15 bis 20 Watt/(Meter × Kelvin)
reicht.
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Die
metallischen Leiterelemente (12, 13) sind elektrisch
voneinander isoliert und mit Kupfer oder Nickel plattiert. Die Schaltungskomponenten
(16, 17), wie zum Beispiel eine diskrete Halbleitervorrichtung
und eine integrierte Halbleitervorrichtung, sind jeweils auf die
Kupfer- oder Nickelschichten (12a, 13a) gelötet und die
Kupfer- oder Nickelschichten (12a, 13a) verbessern
die Haftung zwischen den Schaltungskomponenten (16, 17)
und den metallischen Leiterelementen (12, 13).
In diesem Zusammenhang bedecken die Kupfer- oder Nickelschichten
(12a, 13a) die gesamte obere Fläche der
metallischen Leitelemente (12, 13); Jedoch können nur die
Kontaktbereiche mit den Schaltungskomponenten (12, 13)
mit Kupfer oder Nickel plattiert sein. Andere Leitungsmetalle können für die Plattierung
möglich
sein.
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Die
metallischen Leiterelemente (12, 13), die mit
dem Kupfer oder Nickel plattiert sind, sind aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung gebildet, die aus der Gruppe bestehend aus einer
Aluminiummagnesiumchromlegierung, einer Aluminiummanganlegierung,
einer Aluminiumnickellegierung und einer Aluminiumboronlegierung
gebildet ist. Aluminium und die Aluminiumlegierung haben große Wärmeleitfähigkeit,
die sich von 150 bis 250 Watt/(Meter × Kelvin) erstreckt. Die Wärmeleitfähigkeit
von Aluminium und der Aluminiumlegierung ist geringfügig kleiner
als die von Kupfer (390 Watt/(Meter × Kelvin)), aber Aluminium
und die Aluminiumlegierung weisen ein wesentlich geringeres spezifisches
Gewicht als Kupfer auf. Die Muster der metallischen Leiterelemente
(12, 13) als auch die Belegungsbereiche auf dem
Keramiksubstrat (11) hängen
von einem elektrischen oder elektronischen Schalterkreis ab und
verschiedene Anordnungen für
praktische Keramiksubstrate gemäß der vorliegenden
Erfindung werden hergestellt.
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Die
Lötlegierung
(15) besteht aus einer Aluminiumlegierung, die aus der
Gruppe bestehend aus einer Aluminiumsiliziumlegierung, einer Aluminiumsiliziummagnesiumlegierung,
einer Aluminiumgermaniumlegierung und einer Aluminiumsiliziumgermaniumlegierung,
und als Folie oder Kaschierungsblech zusammen mit jedem der metallischen
Leiterelemente (12, 13) oder im Wärmeabführmittel
(14) geformt. Es kann aber auch eine andere Lötlegierung
verwendet werden, solange die Lötlegierung
einen genügend
hohen Betrag an Haftung bietet.
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Verschieden
Proben sind in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung hergestellt worden. Die Keramikscheiben
(11) sind ca. 50 mm breit und ca. 75 mm lang und ca. 0,63
mm dick. Die Keramik besteht aus Y2O3–5% AlN, jedoch sind gelegentliche
Einschlüsse
darin beinhaltet. Die metallischen Wärmeabführmittel (14) sind
ca. 50 mm breit, ca. 75 mm lang und ca. 3 mm dick. Die metallischen
Leitelemente (12, 13) und die metallischen Wärmeabführmittel
(14) sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet.
Die Zusammensetzungen der Aluminiumlegierungen sind in Tabelle 1
beschrieben. Die Wärmeabführmittel
(14) und die metallischen Leitelemente (12, 13)
werden durch ein Rollverfahren vorbereitet und mehrere Leiterelemente und
Wärmeabführmittel
werden gleichzeitig mit der Lötlegierung
(15) verkleidet. Die Lötlegierungen
(15) kaschieren auf diese Weise mit ca. 30 Mikrometer Dicke
und die Lötlegierungen
(15) in Form von Folien werden auch vorbereitet und in
den anderen Proben verwendet. Die Zusammensetzungen der Lötlegierungen
sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Jede
der Keramikscheiben (11) ist mit den zugehörigen Wärmeabführmittel
(14) und den Leiterelementen (12, 13)
an beide Flächen
laminiert und die folienförmige
Lötlegierung
(15) greift zwischen der Keramikscheibe (11) und
entweder dem Wärmeabführmittel
(14) oder dem metallischen Leiterelementen (12, 13) ein,
falls erforderlich. Alle der Keramikscheiben (11), die
auf diese Weise mit den zugehörigen
Komponentenschichten laminiert sind, werden unter Vakuum auf eine
Schmelztemperatur der Lötlegierung,
die von 430°C bis
610°C reicht,
erhitzt und dann für
ca. 10 Minuten gehalten. Jede der Keramikscheiben (11)
wird an das zugehörige
Wärmeabführmittel
(14) und die zugehörigen
metallischen Leiterelemente (12, 13) gelötet. Die
laminierten Strukturen, die auf diese Weise verbunden sind, werden
weiter bei einer Temperatur von 350° C für 30 Minuten zur Wärmebehandlung
gehalten und dann graduell im Ofen abgekühlt. Schließlich werden die Leiterelemente
(12, 13) mit Kupfer oder Nickel bis zu einer Dicke
von ca. 3 Mikrometer durch einen stromlosen Plattierungsvorgang
plattiert. Proben 1 bis 10 sind auf diese Weise in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung hergestellt.
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Zum
Vergleich ist das Keramiksubstrat vom Stand der Technik hergestellt
und in Tabelle 1 mit Bezugszeichen
11 gezeigt. Insbesondere
die Keramikscheibe (
1) ist aus Aluminiumoxid (Al2O3) mit
einer Reinheit von 96% gebildet, die Dimensionen davon sind 50 mm
Breite, 75 mm Länge
und 0,63 mm Dicke. An beiden Flächen
der Keramikscheibe (
1) sind Sauerstofffreie Kupferscheiben
(
2,
3) angeordnet, jede 45 mm breit, 70 mm lang
und 0,3 mm dick. Die Keramikscheibe (
1), die zwischen den
sauerstofffreien Kupferscheiben (
2,
3) aufgenommen
ist, wird in eine oxidierende Umgebung bestehend aus 1% Sauerstoff
und 99% Argon angeordnet und bei 1075°C für 50 Minuten gehalten. Die
Kupferscheiben (
2,
3) werden oxidiert und Kupferoxyd
(Co2O) wird auf den Oberflächen
erzeugt. Da das Kupfer und das Kupferoxyd eine deutektische Mischung
bilden, werden die Kupferscheiben (
2,
3) mit der
Keramikscheibe (
1) verbunden. Eine folienförmige Sn-60%
Pb Lötlegierung
(
5) ist zwischen der Kupferscheibe (
3) und dem
Wärmeabführmittel
(
4), das 50 mm breit, 75 mm lang und 3 mm dick ist, angeordnet.
Das Wärmeabführmittel
(
4) ist aus saurestofffreiem Kupfer gebildet. Die folienförmige Lötlegierung
(
5) wird auf eine geeignet hohe Temperatur erhitzt und
das Wärmeabführmittel
(
4) wird an die Kupferscheibe (
3) gelötet. Tabelle
1
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Die
Proben 1 bis 11 werden auf 125°C
erhitzt und dann auf –55°C abgekühlt. Die
Temperaturerhöhung, die
dem Abkühlen
folgt bildet einen Wärmezyklus
und der Wärmezyklus
wird wiederholt, bis Risse in den Keramikscheiben (1 oder 11) auftreten.
Der Auswertungsvorgang ist bei der Halbleiterherstellung gut bekannt. Bei
der Auswertung wird der Wärmezyklus
20mal wiederholt und die Keramikscheiben 1 und 11 werden untersucht,
ob irgendwelche Risse auftreten oder nicht. Falls keine Risse auftreten,
wird der Erwärmungszyklus
erneut 20mal wiederholt. Die Beobachtungen sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
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Die
Wärmeleitfähigkeit
jeder der Proben 1 bis 11 ist durch eine Laserlichtmethode gemessen
und ein Gewichtsverhältnis
wird in Bezug auf das Keramiksubstrat vom Stand der Technik für jede der
Proben 1 bis 10 berechnet. Die Wärmeleitfähigkeit
und das Gewichtsverhältnis
sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 2 ist Kelvin durch Kvn. abgekürzt. Tabelle
2
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Wie
Tabelle 1 entnommen werden kann, ist die Widerstandsfähigkeit
des Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden
Erfindung gegen wiederholte Wärmezyklen
vergrößert und
das Gewicht verringert. Dies ist der Fall, da das Keramiksubstrat
mit der Kombination aus Keramikscheibe (11) aus Aluminiumnitrit
und den Leiterelementen (12, 13) aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
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Im
Allgemeinen ist es wünschenswert
eine große
Dicke in Hinblick auf die gegenwärtige
Ausbreitung aufzuweisen. Jedoch sind die dicken metallischen Leiterelemente
(12, 13) Ursache für große Spannungen, die auf die
Keramikscheibe (11) ausgeübt werden, da ein großer Abstand
von der neutralen Fläche
einem großen Moment
zu wirken erlaubt. Dann sind dünne
metallische Leiterelemente (12, 13) in Hinsicht
auf den Servicezeitraum wünschenswert.
Das Verhältnis
der Dicke t1 jedes Leitelements zu der Dicke t2 der Keramikscheibe (11)
sollte kleiner als ein kritischer Wert sein und die Querschnittsfläche jedes
Leiterelements wird entweder durch Breite oder Länge kompensiert.
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Falls
eine Keramikscheibe zwischen metallischen Leiterelementen und einem
metallischen Wärmeabführmittel
aufgenommen wird, dann wird ein Teil des Moments, das durch die
metallischen Leiterelemente verursacht wird, durch ein Gegenmoment,
das durch das metallische Wärmeabführmittel
verursacht wird, aufgehoben. Das bedeutet, daß die Dicke t1 jedes Leiterelements
gut mit der Dicke t3 des Wärmeabführmittels
an einem gewissen Punkt ausbalanciert ist. Falls die Dicken t1 und
t3 geeignet ausgewählt
sind, dann bietet das Keramiksubstrat eine lange Dienstzeit ohne
Verringerung der Zuverlässigkeit. 4 zeigt die Verformung eines
Keramiksubstrats in Bezug auf das Verhältnis t1/t3. Obwohl ein Experiment
mit den Keramikscheiben ausgeführt
wurde, die auf dem Aluminiumoxyd gebildet sind, tritt die gleiche
Tendenz bei einem Experiment mit Aluminiumnitritscheiben auf. Dreieckige
Symbole stehen für
Keramiksubstrate von vier Quadratzoll und Kreise stehen für Keramiksubstrate
mit jeweils 30 mm Dicke und 70 mm Länge. Alle Keramiksubstrate
sind 0,635 mm dick und beide Flächen jeder
Aluminiumoxydscheibe sind zwischen zwei Aluminiumscheiben aufgenommen. Der
Wärmezyklus,
der auf die Keramiksubstrate ausgeübt wird, wiederholt eine Kurve
zwischen +125° für 30 Minuten
und –40°C für 30 Minuten.
Die Anwendung des Wärmezyklus
verwirft das Keramiksubstrat aufgrund des Unterschieds zwischen
dem Moment und dem Gegenmoment in entgegengesetzter Richtung dazu.
Die minimale Verformung findet bei einem Verhältnis von t1/t3 = 1 statt,
wie in 4 gezeigt, und
die minimale Deformation bei t1/t3 unterstützt gut die Existenz des Ausgleichpunkts,
da das Moment mit dem Gegenmoment ausgeglichen wird. Falls das Besetzungsgebiet
der metallischen Leiterelemente verkleinert wird, verschiebt sich
der Ausgleichspunkt vom Verhältnis
t1/t3 = 1 und die Einstellung des Verhältnisses zum Ausgleichpunkt
verlängert
den Dienstzeitraum.
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Der
Aluminiumgehalt der Leiterelemente und des Wärmeabführmittels hat einen Einfluß auf den
Widerstand gegen die Wiederholung des Wärmezyklus. 5 zeigt die Anzahl der Wärmezyklen,
die auf das Keramiksubstrat in Bezug auf den Aluminiumbestandteil
ausgeübt
werden. Kreise stehen für
Keramiksubstrate ohne Abkühlung
nach dem Verbinden von Keramikscheibe und Aluminiumscheiben und
Punkte repräsentieren Keramiksubstrate,
die durch die Verbindung gefolgt durch eine Abkühlung bei 400°C für sechs
Stunden hergestellt worden sind. Alle Keramiksubstrate sind in einer
rechteckigen Konfiguration von einem Zoll zu einem Zoll geformt
und die Dicke ist ca. 0,4 mm. Falls der Mangangehalt vergrößert wird,
nimmt der Widerstand ab, aber der Widerstand wird durch das Abkühlen verbessert.
Falls eine Aluminiumlegierung für
die Leiterelemente (12, 13) und das Wärmeabführmittel
(14) verwendet wird, sollte ein geeigneter Abkühlvorgang
für das
Heilen des Widerstands gegen die Wiederholung des Wärmezyklus
ausgeführt
werden.
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Zweite Ausführungsform
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Mit
Bezug auf 6 der Zeichnungen
weist ein anderes Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Keramikscheibe (21) auf, die hauptsächlich aus
Aluminiumnitrit zusammengesetzt ist und mit einem Aluminiumoxydfilm
(21a) bedeckt ist, einen Oberflächenfilm (22), der
den Aluminiumoxydfilm (21a) überdeckt, ein metallisches
Leiterelementmuster (23), ein metallisches Wärmeabführelement
(24) und Lötlegierungsblöcke (25a, 25b),
die die metallischen Leiterelementmuster (23) und das metallische
Wärmeabführelement
(24) mit beiden Flächen
der Keramikscheibe (21) verbinden. Bei dieser Gelegenheit
wird die Keramikscheibe (21) aus Aluminiumnitrit gebildet,
das einen oder mehrere Oxydatoren aufweist; es kann jedoch ein reines
Aluminiumnitrit für
die Keramikscheibe (21) verwendet werden. Die Oxydatoren
machen in diesem Fall zwischen 0,1% bis 10% des Gewichts aus und
der Aluminiumoxydfilm (21a) ist 0,2 Mikrometer bis 20 Mikrometer
dick.
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Aluminiumpulver,
das die Oxydatoren aufweist, wird gesintert, um die Keramikscheibe
(21) herzustellen, und die Oxydatoren verbessern die Dichte
des gesinterten Produkts oder der Keramikscheibe (21).
Die große
Dichte resultiert in einer großen
mechanischen Festigkeit und das Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden
Erfindung bricht weniger häufig.
Der Oxydator oder die Oxydatoren fördern ferner die Oxydation
des Oberflächenabschnitts
der Keramikscheibe (21), um rasch den Aluminiumoxydfilm
(21a) zu bilden. Falls der Oxydator oder die Oxydatoren
weniger als 0,1 Gewichtsprozent aufweisen, wird die Verbesserung
bei der Dichte kaum erreicht und keine rasche Oxydation findet statt.
Wenn der Oxydator oder die Oxydatoren jedoch mehr als 10 Gewichtsprozent
aufweisen, wird die Wärmeleitfähigkeit
der Keramikscheibe (21) verringert und aus diesem Grunde
beläuft
sich der Anteil des Oxydators oder der Oxydatoren von 0,1 Gewichtsprozent
bis 10 Gewichtsprozent.
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Der
Aluminiumoxydfilm (21a) wird durch eine Flächenoxydation
der Keramikscheibe (21) gebildet und die Flächenoxydation
wird bei 1100°C
bis 1500°C
in einer oxydierenden Umgebung durchgeführt, wo der Sauerstoffpartialdruck
von 10 –2
bis 1 Atmosphäre
erreicht und der Wasserdampfdruck geringer als 10 –3 Atmosphären ist.
Der Zeitraum für
die Oxydation hängt
von der Dicke des Aluminiumoxydfilms (21a) ab. Der Vorteil des
Aluminiumoxydfilms (21a) wird im Zusammenhang mit dem Oberflächenfilm
beschrieben. Falls der Aluminiumoxydfilm (21a) jedoch geringer
als 0,2 Mikrometer ist, treten kaum Vorteile auf und ein Aluminiumoxydfilm von
mehr als 20 Mikrometer verringert die Wärmeleitfähigkeit der Keramikscheibe.
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Das
metallische Leiterelementmuster (23) und das Wärmeabführmittel
(24) sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet,
die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiummanganlegierung, Aluminiumnickellegierung,
Aluminiummagnesiumchromlegierung und Aluminiumboronlegierung ausgewählt ist.
Die Oberfläche
des metallischen Leitereulementmusters (23) ist teilweise
mit Kupfer oder Nickel plattiert, so daß Schaltkreiskomponenten (nicht
gezeigt) leicht daran gelötet
werden können.
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Die
Lötlegierung
ist aus der Gruppe bestehend aus einer Aluminiumsilikonlegierung,
einer
Aluminiumsiliziummagnesiumlegierung, einer Aluminiumsiliziumgermaniumlegierung
und einer Aluminiumgermaniumlegierung ausgewählt. Die Lötlegierung ist als Folie geformt
oder das metallische Leiterelementmuster (23) und das metallische
Wärmeabführmittel
sind mit der Lötlegierung
kaschiert. Die Lötlegierungsblöcke (25a, 25b)
werden bei einer geeigneten hohen Temperatur über ihrem Schmelzpunkt geschmolzen
und dementsprechend wird die Keramikscheibe (21), die mit
dem Oberflächenfilm
(22) bedeckt ist, mit dem metallischen Leiterelementmuster
(23) und dem metallischen Wärmeabführmittel (24) verbunden.
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Der
Oberflächenfilm
(22) ist hauptsächlich
aus Siliziumoxyd (SiO2) oder aus dem Siliziumoxyd, das Zirkonoxyd
oder Titanoxyd beinhaltet, zusammengesetzt. Der Oberflächenfilm
(22) und der Aluminiumoxydfilm (21a) verbessern
die Hafteigenschaften zwischen der Keramikscheibe (21)
und dem metallischen Leiterelementmuster und zwischen der Keramikscheibe
(21) und dem metallischen Wärmeabführmittel (24). Dies
ist so, weil sowohl das Aluminiumoxyd als auch die Lötlegierung
gut mit dem Siliziumoxyd benetzt sind. Der Oberflächenfilm
(22) weist eine Dicke von 0,01 Mikrometer bis 10 Mikrometer
auf. Falls der Oberflächenfilm
(22) eine geringere Dicke als 0,01 Mikrometer aufweist,
wird die Haftung kaum verbessert. Falls der Oberflächenfilm
(22) eine größere Dicke
als 10 Mikrometer aufweist, wird die Wärmeleitung verringert. Daher
sollte der Oberflächenfilm
(22) zwischen 0,01 und 10 Mikrometer eingestellt sein.
Der Oberflächenfilm
(22) der Siliziumoxydschicht verbessert sicher die Haftung.
Falls der Oberflächenfilm
(22) jedoch Zirkonoxyd oder Titanoxyd aufweist, wird sowohl
die Haftung als auch Festigkeit desselben weiter verbessert und
demgemäß die Widerstandsfähigkeit
des Keramiksubstrats gegen wiederholte Wärmezyklen verbessert. Sowohl
Zirkonoxyd als auch Titanoxyd belaufen sich auf 1 bis 50 Gewichtsprozent.
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Falls
der Oberflächenfilm
(22) aus Siliziumoxyd gebildet ist, wird das Siliziumoxyd
durch ein Hochfrequenzzerstäubungsverfahren
aufgetragen. Bei dem Zerstäubungsverfahren
wird das Ziel aus Quarz mit einer Reinheit von 99,9% gebildet und
die Abmessungen des Ziels sind 3 mm im Durchmesser und 10 mm in
der Höhe.
Das Zerstäuben
wird bei 100 Watt ausgeführt
und die Keramikscheibe (21) wird angetrieben um bei 10 UpM
zu rotieren. Ein Sol-Gelverfahren ist auch für den Oberflächenfilm
(22) verfügbar.
Das Sol-Gelverfahren beginnt mit der Vorbereitung einer Lösung, worin
347 Gramm Ethylsilikat in 500 Gramm Ethylalkohol und 190,2 Gramm
von 0,3 prozentigem Hydrochlorid verdünnt in Wasser, gemischt werden.
Die Lösung
wird auf die Keramikscheibe (22) für 10 Sekunden gesprüht und die
Keramikscheibe (22) wird angetrieben, um bei 500 UpM zu
rotieren. Die Keramikscheibe (22) wird dann bei 800°C für 10 Minuten
gehalten, so daß ein
extrem dünner Siliziumoxydfilm
auf der Keramikscheibe (22) erzeugt wird. Das Sol-Gelverfahren,
was auf diese Weise ausgeführt
wurde, wird wiederholt, bis der Oberflächenfilm (22) eine
vorbestimmte Dicke erreicht. Ein anderes verfügbares Verfahren ist ein fotounterstütztes chemisches
Aufdampfverfahren(CVD). Die Keramikscheibe (22) wird in
einer Reaktionskammer eines fotounterstützten CVD-Systems angeordnet
und die Reaktionskammer wird auf 0,2 Torr evakuiert. Ein Gasgemisch
von Si2H6 und O2 wird in die Reaktionskammer eingeführt und Si2H6
wird auf 0,015 Volumenprozent reguliert. Eine chemische Reaktion
findet unter Fotostrahlung einer Quecksilberlampe statt und das
Siliziumoxyd lagert sich auf der Keramikscheibe (22) ab.
Die zuvor erwähnten drei
Verfahren sind auch für
den Oberflächenfilm
(22), der Zirkoniumoxyd oder Titanoxyd aufweist, verfügbar.
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Verschiedene
Proben sind in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung hergestellte worden. Pulver von Aluminiumnitrit,
Pulver vom Yttriumoxyd (Y2O3) und Pulver von Kalziumoxyd (CaO) wurden
vorbereitet und die Pulver weisen im Durchschnitt Durchmesser von
1 bis 3 Mikrometer auf. Die Pulver sind auf jeweilige Portionen,
wie in Tabelle 3 gezeigt, reguliert worden und die individuellen
Mischungen sind in einer Naßkugelmühle für 72 Stunden
gemischt worden. Nach dem Trocknen ist ein organisches Bindemittel
zu den individuellen Mischungen hinzugefügt worden und gut vermischt
worden, um jeweilige Pasten zu erzeugen. Die Pasten, die auf diese
Weise erhalten wurden, sind in jeweilige frische Platten durch die
Abstreichtechnik (Doctoral-Blade-Technic) geformt worden und die
frischen Platten sind in einer atmosphärischen Stickstoffumgebung
bei 800°C
für zwei
Stunden gesintert worden. Die keramischen Scheiben (
22),
die auf diese Weise gesintert wurden, sind im Wesentlichen identisch
in ihrer Zusammensetzung mit der jeweiligen Mischung und die Abmessungen
jeder Keramikscheibe sind 50 mm Breit, 75 mm Lang und 0,63 mm Dick.
Die Keramikscheiben (
22) werden in einer oxidierenden Umgebung
bei 1350°C
bis 1450°C
für entsprechende
Zeiträume,
abhängig
von der Dicke des Aluminiumoxydfilms (
21a), oxidiert. Die
Oxydationsumgebung hat einen partiellen Druck von 1 × 10 –5 bis 1 × 10 –3 Atmosphären (AtÜ) und die
Durchschnittsdicke jedes Aluminiumoxydfilms (
21a) ist in
Tabelle 3 gezeigt. Die Oberflächenfilme
(
22) sind jeweils auf den Aluminiumoxydfilmen (
21a)
entweder durch ein Hochfrequenzzerstäubungsverfahren, ein Sol-Gelverfahren
oder ein fotounterstütztes
CVD Verfahren aufgetragen und die Zusammensetzung der Dicke des
Oberflächenfilms
(
22) wird in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle
3
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Die
metallischen Leiterelementmuster (23) sind in den Abmessungen
von 45 mm Breite, 70 mm Länge und
1 mm Dicke geformt und die metallischen Wärmeabführmittel (24) sind
50 mm breit, 75 mm lang und 3 mm dick. Die metallischen Leiterelementmuster
(23) und die metallischen Wärmeabführmittel (24) sind
aus reinem Aluminium und Aluminiumlegierungen, wie in Tabelle 4
gezeigt, gebildet. In Tabelle 4 wird reines Aluminium durch "Al" abgekürzt und
Mg-2,5% Cr-0,2%
Aluminiumlegierung, Mn-0,1% Aluminiumlegierung, Ni-0,02% Aluminiumlegierung
und B-0,005% Aluminiumlegierung sind jeweils als "Al-Mg-Cr", "AlMn", "Al-Ni" und "Al-B" abgekürzt.
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Folgende
Lötlegierungen
werden für
die Herstellungen der Proben (21 bis 42) verwendet:
- 1. Si-13% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-13Si" in Tabelle 4)
- 2. Si-7,5% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-7,5Si")
- 3. Ge-15% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-Ge")
- 4. Si-N,5% Mg-1% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-Si-Mg")
- 5. Si-7,5 Ge-10% Aluminiumlegierung (abgekürzt als " Al-Si-Ge")
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Die
Lötlegierungen
1–3 sind
als Folie von 50 μm
Dicke gebildet oder jedes der metallischen Leiterelementmuster (23)
und der metallischen Wärmeabführmittel
(24) ist mit entweder Lötlegierung 4 oder 5 von
30 μm kaschiert.
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Jede
der Keramikscheiben (21), die mit dem Oberflächenfilm
(22) bedeckt ist, ist mit dem metallischen Leiterelementmuster
(23), dem metallischen Wärmeabführmittel (24) und
dem Lötlegierungsfilm
laminiert, falls erforderlich, und wird in einem Vakuum bei 430
bis 610°C
für 10
Minuten angeordnet. Dann wird jede der Keramikscheiben (21)
mit einem metallischen Leiterelementmuster (23) und dem
metallischen Wärmeabführmittel
(24) verbunden und wird bei 350°C für 30 Minuten abgekühlt und
dann graduell auf Raumtemperatur im Ofen abgekühlt. Die metallischen Leiterelementmuster
(23) werden dann mit Kupfer oder Nickel auf eine Dicke von
ca. 3 μm
durch ein stromloses Plattierungsverfahren plattiert.
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Zum
Vergleich wird ein Keramiksubstrat PR vom Stand der Technik durch
Verwendung einer Aluminiumoxydscheibe mit einer Reinheit von 96%
und den Abmessungen von 50 mm Breite, 50 mm Länge und 0,63 mm Dicke hergestellt.
Die Aluminiumoxydscheibe wird zwischen sauerstofffreien Kupferplatten
von 45 mm Breite, 70 mm Länge
und 0,3 mm Dicke aufgenommen. Wenn die Aluminiumoxydscheibe, die
auf diese Weise zwischen den sauerstofffreien Kupferscheiben angeordnet
ist, in einer Argonumgebung mit 1% Sauerstoff bei 1075°C für 75 Minuten
angeordnet wird, dann reagiert das oxidierte Kupfer (Cu2O) in der
flüssigen
Phase mit Kupfer, so daß eine
eutektische Legierung zum Verbinden mit den Aluminiumoxydscheiben
gebildet wird. Eine folienförmige
Nn-60 % Pb Legierung wird zwischen einer der Kupferplatten und einem
Wärmeabführmittel
aus einem sauerstofffreien Kupfer aufgenommen. Das Wärmeabführmittel
ist 50 mm breit, 75 mm lang und 3 mm dick. Tabelle
4
Proben
21 bis
42 und das Keramiksubstrat
PR vom Stand der Technik werden Wärmezyklen zwischen 125° und –55°C zur Auswertung
unterworfen und die Wärmezyklen
werden 20 mal wiederholt. Nach den 20 Wärmezyklen werden die Proben
21 bis
42 und
das Keramiksubstrat PR vom Stand der Technik untersucht, um zu sehen,
ob Risse aufgetreten sind. Falls dies nicht der Fall ist, werden
die Proben dem Wärmezyklus
erneut 20 mal unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 beschrieben.
Die Wärmeleitfähigkeit
wird für
jede Probe und für
das Keramiksubstrat vom Stand der Technik durch ein Laserlichtverfahren
gemessen und die Bindungsfestigkeit wird ferner, wie in
5 gezeigt, gemessen. Ausgehend
von einer Gewichtseinheit von 1 für das Keramiksubstrat vom Stand
der Technik wird das Gewichtsverhältnis für jede Probe berechnet. Tabelle
5
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Wie
aus Tabelle 5 entnommen werden kann, weist das Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden
Erfindung eine genauso große
Wärmeleitfähigkeit
wie das Keramiksubstrat vom Stand der Technik auf und ist bezüglich Gewicht
und Widerstandsfähigkeit
gegen Wiederholung der Wärmezyklen
verbessert. 4 und 5 sind auf das in 6 gezeigte Keramiksubstrat
anwendbar und die Designarbeiten sind unter Beachtung der mit Bezug
auf 4 und 5 beschriebenen Tendenzen
ausgeführt.
Dies ist dienlich, um ein weiter verbessertes Keramiksubstrat herzustellen.
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Eine
andere Aluminiumlegierung kann für
das Wärmeabführmittel
(14) und die metallischen Leiterelemente verfügbar sein,
insofern als die Aluminiumlegierung eine größere Ermüdungsgrenze gegen eine wiederholte
Last als Kupfer aufweist und geringer im spezifischen Gewicht ist
als Kupfer. Die Kandidaten hierfür
sind eine Al-B Legierung, eine Al-Bi Legierung, eine Al-Ca Legierung,
eine Al-Cd Legierung, eine Al-Ce Legierung, eine Al-Cr Legierung,
eine Al-Cu Legierung, eine Al-Fe Legierung, eine Al-Ga Legierung,
eine Al-In Legierung, eine Al-La Legierung, eine Al-Li Legierung,
eine Al-Mn Legierung, Al-Mg Legierung, eine Al-Mo Legierung, eine Al-Nb
Legierung, eine Al-Ni Legierung, eine Al-Pb Legierung, eine Al-Pd
Legierung, eine Al-Pt Legierung, eine Al-Sb Legierung, eine Al-Si
Legierung, eine Al-Ti Legierung , eine Al-Sn Legierung, eine Al-V
Legierung, eine Al-W Legierung, eine Al-Y Legierung, eine Al-Zn
Legierung und eine Al-Ze Legierung. Außerdem sind alle Ausführungsformen
mit dem Wärmeabführmittel
ausgestattet. Dennoch kann ein anderes erfindungsgemäßes Keramiksubstrat
nicht mit einem Wärmeabführmittel
ausgestattet sein.
