DE69204319T2 - Glas-Aluminiumnitrid Verbundwerkstoff. - Google Patents

Glas-Aluminiumnitrid Verbundwerkstoff.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Glas- Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere einen Glas- Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff, der für ein Halbleiterpackungsmaterial geeignete Eigenschaften aufweist.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Ansteigen der Geschwindigkeit elektronischer Bauteile und ein Ansteigen der Einbaudichte sind rasch fortgeschritten. Dies führte zu gesteigerter Nachfrage an Packungsmaterial und einem Isoliersubstrat, auf welchem die Bauteile befestigt werden. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um einen Anstieg in der Hitzeanhäufungsdichte zu beherrschen, eine niedrige Dielektrizitätskonstante, um einen Anstieg in der Geschwindigkeit zu beherrschen, und ein Absenken des Leiterwiderstands werden insbesondere von dem Packungsmaterial gefordert. Betrachtet man das hochwärmeleitende Material, wurde eine Entwicklung eines AlN- Materials zusätzlich zu BeO und SiC durchgeführt. Auf der anderen Seite kann die Forderung nach einem Senken der Dielektrizitätskonstante und des Leiterwiderstands mit dem hochwärmeleitfähigen Material nicht befriedigt werden, und der Entwicklung eines Glas-Keramik-Verbundwerkstoffes wurde Vorrang gegeben. In dem Glas-Keramik-Verbundwerkstoff sind die Wärmeleitfähigkeit sowie die mechanische Festigkeit so gering, daß keine befriedigenden Eigenschaften erreicht werden. Um die Forderung zu erfüllen, wurden aus diesem Grund Studien an einem Verbundwerkstoff aus Glas und hochwärmeleitfähigen Pulver durchgeführt. Beispielsweise offenbart die Japanische Patentoffenlegung Nr. 210043/1988 einen Verbundwerkstoff aus Glas und Aluminiumnitridpulver. Dieser Verbundwerkstoff hat eine Dielektrizitätskonstante von 5 bis 7 und eine Wärmeleitfähigkeit von 20 W/m K. Weiterhin konnte in den Japanischen Patentoffenlegungen Nr. 221162/1990 und 196073/19901 entsprechend der EP-A-0 374 825 durch Festlegung des Sauerstoffgehalts in Aluminiumnitrid eine leichte Verbesserung in der Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.
  • Der zuvor beschriebene herkömmliche Glas-Aluminiumnitrid- Verbundwerkstoff bleibt nicht nur in der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit unbefriedigend, sondern auch in der Festigkeit des Substrates, und die damit erreichte Verbesserung liefert höchstens die Eigenschaften des herkömmlich niedertemperaturgebrannten Substrates, so daß dieser Verbundwerkstoff keine weiterentwickelte Eigenschaftsanforderung erfüllt. In der vorliegenden Erfindung ist die Wärmeleitfähigkeit weiter verbessert, insbesondere in einem Glas-Verbundwerkstoff, der eine geringe Dielektrizitätskonstante und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und ein Material liefert, das neben den zuvor beschriebenen Eigenschaften eine hohe Festigkeit aufweist.
    • WESEN DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Glas- Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff, der einen Sinterkörper aufweist, der hergestellt wird durch Zugabe von Glaspulver zu Aluminiumnitridkörnern, die einen Sauerstoffgehalt von weniger als 2 Gewichts-% und einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 1,0 um oder mehr aufweisen, und Unterziehen der Mischung einer Formung und Sinterung, wobei der Glas-Aluminiumnitrid- Verbundwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/m K oder mehr aufweist und der AlN-Gehalt 50 bis 95 Gewichts-% beträgt, basierend auf dem gesamten Verbundwerkstoff. Das Glaspulver besteht vorzugsweise aus 30 bis 60 Gew.-% an SiO&sub2;, 10 bis 30 Gew.-% an Al&sub2;O&sub3;, 10 bis 30 Gew.-% B&sub2;O&sub3; und 30 Gew.-% oder weniger an MO (wobei M Mg, Ca oder Sr darstellt). Die Zugabe eines Anteils an AlN-Whiskern trägt zu einer weiteren Verbesserung der Festigkeit bei.
    • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Von dem in der vorliegenden Erfindung benutzten AlN-Korn wird gefordert, einen Sauerstoffgehalt von weniger als 2 Gewichts-% aufzuweisen. Wenn der Sauerstoffgehalt 2 Gew.-% oder mehr beträgt, ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes so ungenügend, daß die durch das Zusammensetzen des AlN erhaltene Wirkung klein wird. Der durchschnittliche Korndurchmesser beträgt 1,0 um oder mehr. Wenn er kleiner als 1,0 um ist, wird das Absenken der Wärmeleitfähigkeit infolge der Diffusion eines Elements aus der Glasmatrix signifikant, so daß es notwendig ist, Rohmaterial zu benutzen, das wenigstens einen vorgegebenen Korndurchmesser aufweist. Je niedriger der Sauerstoffgehalt ist, um so besser sind die Ergebnisse. Insbesondere kann eine gute Wärmeleitfähigkeit erreicht werden, wenn der Sauerstoffgehalt 0,4 Gewichts-% oder weniger beträgt. Wenn der mittlere Korndurchmesser 10,0 um überschreitet, kann keine Oberflächengenauigkeit nach dem Sintern sichergestellt werden. Weiterhin ist es möglich, zum Zweck der Festigkeitssteigerung des Verbundwerkstoffes einen Anteil an AlN-Whiskern einzubringen. Beispielsweise ist es nützlich, einen Anteil von 5 Volumen-% an AlN-Whiskern mit einem kleinen Durchmesser von 0,3 um und einer Länge von ca. 5 um zuzugeben. Das die zuvor beschriebene Zusammensetzung aufweisende Glaspulver, das die Glasmatrix bildet, ist das Pulver eines bekannten Bor-Silikatglases, welches hinsichtlich der Sintertemperatur, Dielektrizitätskonstante, usw. bevorzugt ist. Die Zusammensetzung befindet sich in dem zuvor beschriebenen Bereich, um die Sintertemperatur einzustellen. Weiterhin kann Gebrauch von einer Paste gemacht werden, die einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, wie beispielsweise Ag, Au oder Cu, und simultanes Brennen kann durchgeführt werden, um einen Schaltkreis herzustellen. Weiterhin ist es auch möglich, die Dielektrizitätskonstante einzustellen.
    • Beispiel 1:
  • Jede der AlN-Proben mit den in Tabelle 1 aufgeführten Eigenschaften und Glaspulver (mit einer Zusammensetzung bestehend aus 50 Gew.-% SiO&sub2;, 15 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, 20 Gew.-% B&sub2;O&sub3; und 15 Gew.-% CaO) wurden mit einem organischen Bindemittel usw. in einer Kugelmühle entsprechend der in der Tabelle aufgeführten Zusammensetzung gemischt, um eine Schlämme herzustellen. Die Schlämme wurde in Streifen geformt und im Stickstoffstrom bei 900ºC gebrannt. Der resultierende Glas-Aluminiumnitrid- Verbundwerkstoff hatte eine große Wärmeleitfähigkeit, wie aus Tabelle 2 hervorgeht. Es war möglich, inneres Verdrahten und Beschichten vor dem Brennen durchzuführen. Es war weiterhin auch möglich, in die Oberseite des Sinterkörpers eine Paste aus Metall wie Au, Ag oder Cu einzubacken. Diese machen den Verbundwerkstoff brauchbar für einen elektrischen Schaltkreis. Tabellel 1 Eigenschaften von AlN Sauerstoffgehalt durchschnittlicher Korndurchmesser AlN-Gehalt AlN Sinterkörper Bemerkung) *: Vergleichsbeispiel Tabelle 2 Spezifischer Durchgangswiderstand Wärmeleitfähigkeit relative Dielektrizitätskonstante Biegefestigkeit Bemerkung) *: Vergleichsbeispiel
    • Beispiel 2:
  • Ein Sinterkörper wurde in der selben Art wie der der Probe Nr.3 aus Beispiel 1 hergestellt, außer daß auf das Gesamtgewicht des Glases und der Keramikkomponente bezogen ein Anteil von 5 Gew.-% eines AlN-Whiskers (großer Durchmesser: 10um, kleiner Durchmesser: 0,4 um, transparent) zusätzlich zu der Schlämme zugegeben wurde.
  • Der resultierende Sinterkörper hatte eine Biegefestigkeit von 40 kg/mm² und für den spezifischen Durchgangswiderstand, die Wärmeleitfähigkeit und die relative Dielektrizitätskonstante wurde keine Verschlechterung beobachtet.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Material zu schaffen, das eine große Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und eine große Festigkeit aufweist. Dieses Material ist für den Gebrauch als Halbleiterpackungsmaterial geeignet.

Claims (6)

1. Ein Glas-Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff aufweisend einen Sinterkörper, der hergestellt wird durch Zugabe von Glaspulver zu Aluminiumnitridkörnern, die einen Sauerstoffgehalt von weniger als 2 Gewichts-% und einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 110 um oder mehr aufweisen, Mischen des Glaspulvers und der AlN-Körner, vorzugsweise mit einem Bindemittel, und Unterziehen der Mischung einer Formgebung und Sinterung, wobei die Glas- Aluminiumnitrid-Zusammensetzung eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/m K oder mehr aufweist und der AlN-Gehalt 50 bis 95 Gewichts-% beträgt, basierend auf dem gesamten Verbundwerkstoff.
2. Ein Glas-Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, wobei das Glaspulver 30 bis 60% (Gewichts-%; gleiches gilt im nachfolgenden) an SiO&sub2;, 10 bis 30% an Al&sub2;O&sub3;, 10 bis 30% an B&sub2;O&sub3; und 30% oder weniger an MO aufweist, (wobei M Mg, Ca oder Sr darstellt).
3. Ein Glas-Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei zusätzlich eine Teilmenge an AlN-Whiskern zugegeben ist.
4. Ein Glas-Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sauerstoffgehalt der AlN- Körner kleiner als 0,5 Gewichts-% ist.
5. Ein Glas-Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Korndurchmesser 1,0 bis 10,0 um beträgt.
6. Ein Glas-Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die AlN-Whisker einen Durchmesser von ca. 0,3 um und eine Länge von ca. 5 um aufweisen und in einer Teilmenge von 5 Volumen-% zugegeben sind.
DE69204319T 1991-02-04 1992-02-03 Glas-Aluminiumnitrid Verbundwerkstoff. Expired - Fee Related DE69204319T2 (de)

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