-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren
für einen
Kühlkörper zur
Wärmeableitung
bei Vorrichtungen beispielsweise Halbleiter.
-
Kühlkörper werden
allgemein als ein Mittel verwendet, um Halbleiter und andere ähnliche
Bauteile zu kühlen.
Solche Kühlkörper müssen augenblicklich
die Wärme
ableiten, die sehr schnell in einem Halbleiterelement und anderen ähnlichen
Bauteilen erzeugt wird. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, ist
es wirkungsvoll, Materialien zu benutzen, die eine hohe Wärmeableitungsfähigkeit
haben, die von der Wärmeleitfähigkeit
und der spezifischen Wärme
derselben abhängt.
Kupfer wurde früher
wegen seiner verhältnismäßig hohen
thermischen Leitfähigkeit
von 398 W/mK und seinem hohen spezifischen Gewicht für einen
geeigneten Materialkandidaten gehalten. Kupfer hat jedoch einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten bis zu einer Größe von 17 ppm/°C im Vergleich
zu dem von Halbleitern und Keramiken zur Isolation, beispielsweise
4,2 ppm/°C
bei Silizium und 6,7 ppm/°C
bei GaAs. Folglich wird, wenn Kupfer mit einem Halbleiter verbunden
wird, aufgrund der Abweichung in der thermischen Ausdehnung der
beiden Komponenten, wenn der verbundene Körper Temperaturänderungen
sowohl zum Zeitpunkt der Herstellung der Verbindung als auch während des
Betriebs unterworfen wird, eine zu große thermische Stressbelastung
auf den Halbleiter ausgeübt,
so dass diese Kombination in vielen Fällen unpraktisch wird.
-
Eine
andere Idee ist es, eine Legierung aus Kupfer und einem Metall zu
verwenden, das einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
hat, beispielsweise Wolfram oder Molybdän. Eine Legierung oder ein dispergierter
Körper,
beispielsweise ein Cu-W oder Cu-Mo-System wird verwendet, weil der
thermische Ausdehnungskoeffizient dieser Materialien ähnlich ist
zu dem eines Halbleiters. Wolfram und Molybdän haben jedoch eine geringe
Wärmeleitfähigkeit,
so dass ihre Legierungen mit Kupfer eine Leitfähigkeit zeigen, die nicht mehr
als etwa 200 W/mK zeigt, was weniger als erwünscht ist.
-
Eine
andere Idee ist es, eine Kombination aus Metall und Diamant zu verwenden,
die eine hohe Wärmeleitfähigkeit
hat. Eine Vielzahl von Techniken, die von dieser Idee abstammen,
ist in den US-Patenten Nr. 5 045 972 und 5 130 771 und in den ungeprüften, veröffentlichten,
japanischen Patentveröffentlichungen
Tokukaihei 3-9552 und Tokukaihei 4-231436 offenbart. Alle diese
Techniken nutzen die hohe Wärmeleitfähigkeit
des Diamants aus, in dem er in Metall eingebettet wird und sein
Volumenverhältnis
so eingestellt wird, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient
des gesamten Systems dem eines Halbleiters näher kommt, so dass eine thermische
Verwindung, die durch den Unterschied in der Ausdehnung zwischen zwei
Komponenten verursacht wird, wenn der Verbundkörper Temperaturschwankungen
unterworfen wird, eliminiert wird.
-
Wenn
jedoch die Diamantteilchen einfach in ein Metall, beispielsweise
Cu, Ag, Au und Al, eingebettet werden, ist aufgrund der schwachen
Bindung des Diamants mit diesen Materialien die mechanische Festigkeit eines
Kühlkörpers in
nicht annehmbarer Weise schwach, und eine gründliche Durchmischung kann
während des
Herstellungsverfahrens nicht durchgeführt werden. Um diese Probleme
zu lösen,
gibt es eine andere Idee, bei der die Oberfläche der Diamantteilchen durch
spezielle Mittel mit Metall vor dem Sintern mit einem Metall, beispielsweise
Cu, Ag, Au und Al, beschichtet werden. Obwohl dieses Verfahren eine
einfache Herstellung liefert und die Steuerung der Zusammensetzung
ermöglicht,
zeigt das Endprodukt, das durch ein herkömmliches Metallsinterverfahren
durch Mischen eines Pulvers, Verdichten unter Druck und Sintern
hergestellt ist, eine Wärmeleitfähigkeit,
die nicht größer als
die des verwendeten Metalls ist. Bei einem andren Verfahren, um
mit diesem Problem fertig zu werden, werden vor dem Einbetten in
eine geschmolzenes Metall die Diamantteilchen mit einem Metall beschichtet,
das in der Lage ist, mit dem Diamant Carbid zu bilden. Dieses Verfahren wird,
obwohl es offensichtlich zu der Erfindung ähnlich ist, nicht für eine Lösung des
Problems gehalten, weil das Metall, das zur Erzeugung des Carbids
verwendet wird, um die Diamantteilchen herum verbleibt, so dass die
ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
des Diamants nicht voll ausgenutzt werden kann.
-
Der
Artikel von Kerns J.A. et al: "DYMALLOY:
A COMPOSITE SUBSTRATE FOR HIGH POWER DENSITY DELECTRONIC COMPONENTS" INTERNATIONAL JOURNAL
OF MICROCIRCUITS AND ELECTRONIC PACKING, Band 19, Nr. 3, 1. Juli
1996 (1996-07-01), Seiten 206-211 offenbart ein Kupfer-Diamant-Verbundmaterial
mit einer thermischen Leitfähigkeit
von 420 W/mK und einem eingestellten Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 5,5 ppm/°C
bei 25°C.
Das Dymalloy wird dadurch hergestellt, dass die Diamantteilchen
mit etwa 100 Å von
W-Rh beschichtet, das 1000 Å Kupfer
auf der Oberseite des W-Rh in situ aufgetragen wird, indem dieses
Verbundmaterial in einer Form gepackt und es mit einer Cu-Ag-Legierung unter Vakuum
infiltriert wird. Das fertige Verbundmaterial enthält Diamantteilchen,
die mit einer dünnen
Schicht eines Carbids bedeckt sind, das seinerseits von einer W-Rh-Legierung überdeckt
ist, und die Zwischenräume
zwischen den beschichteten Teilchen sind mit einer anderen Legierung,
beispielsweise Cu-Ag-Legierung, gefüllt.
-
Die
EP-A-859 408, die Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPC darstellt,
zeigt ein Kühlkörpermaterial
und Herstellungsverfahren für
ein Kühlkörpermaterial
zur Verwendung mit Halbleitern, wobei das Verfah ren das Ausbilden
eines Metallcarbids auf der Oberfläche der Diamantteilchen umfasst,
indem ein Behälter
mit einer Vielzahl von Diamantteilchen befüllt wird, und dann die Teilchen
mit einem geschmolzenen ersten Metall beschichtet werden. Danach
werden die Zwischenräume
mit einem geschmolzenen zweiten Metall imprägniert.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen
Kühlkörper bereitzustellen,
der eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit
hat.
-
Um
diese Aufgabe zu lösen,
ist das Verfahren zur Herstellung solch eines Kühlkörpers in den Ansprüchen 1 bzw.
2 charakterisiert, während
vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung in den Unteransprüchen
angegeben sind.
-
Ein
Kühlkörper, der
entsprechend der Erfindung hergestellt ist, hat eine Struktur, die
ein erstes Metall (2) aus wenigstens einem Metall, das
ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag, Au, Al, Mg und Zn; ein
Carbid (B') hergestellt
aus einem zweiten Metall (B) aus wenigstens einem Metall, das ausgewählt ist aus
der Gruppe bestehend aus den Gruppen 4a und 5a des Periodischen
Systems und Chrom; und eine Vielzahl von Diamantteilchen, wobei
der Kühlkörper eine
Struktur hat, in der mehr als ein Viertel der Oberfläche der
einzelnen Diamantteilchen mit dem Metallcarbid (B') überdeckt
ist, und wobei die Diamantteilchen, die mit dem Metallcarbid (B') bedeckt sind, werden
voneinander durch das Metall (A) getrennt.
-
Solch
eine Struktur liefert eine erhöhte
Bindung zwischen den Metallteilchen und dem umgebenden Metall, und
sie liefert auch eine hinreichende Bindung zwischen den Diamantteilchen
und dem Metallcarbid (B'),
und in etwa die gleiche Bindung zwischen dem Metallcarbid (B') und dem benachbarten
Metall (A). In seinem thermischen Verhalten kann diese Struktur
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
bereitstellen, die nur mit dem Metall (A) nicht erreichbar ist.
Insbesondere stellt der Zustand, wenn ein Viertel oder mehr der
Oberfläche
des Diamantteilchens mit dem Metallcarbid (B') bedeckt ist, eine starke Bindung zwischen
den Diamantteilchen und dem Metall (A) sicher. Wenn weniger als
ein Viertel der Oberfläche
bedeckt ist, ist die Bindungsfestigkeit zwischen den Diamantteilchen
und dem Metall (A) nicht ausreichend, weil der Kühlkörper bei 150°C weich wird und
sich unter einer Last von 30 g/cm2 verformt.
Es ist zu beachten, dass es umso besser ist, je dünner die Schicht
des Metallcarbids (B')
ist, weil eine Spur des Metallcarbids, das an der Oberfläche des
Diamantteilchens haftet, ausreichend effektiv ist, und weil eine
dickere Schicht einen nachteiligen Effekt aufgrund der schlechteren
thermischen Leitfähigkeit
des Metalls (B')
hat. Ein anderer Faktor, der die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers reduziert,
ist die reichliche Anwesenheit von unreagiertem Metall (B) um die
Diamantteilchen herum.
-
Ein
Metall (D) aus wenigstens einem Metall, das ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Molybdän und Legierungen davon kann
in dem Metall (A) dispergiert werden. Das Metall (D) hat eine Funktion,
den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Metall
(A) und den Diamantteilchen zu absorbieren. Es ist bevorzugt, dass
der mittlere Durchmesser der Diamantteilchen im Bereich von 60 bis 700 μm liegt.
Wenn er weniger als 60 μm
beträgt,
kann die hohe Wärmeleitfähigkeit
des Diamant nicht ausgenutzt werden, und wenn er mehr als 700 μm beträgt, gibt
es keinen Platz für
die Diamantteilchen, sich bei dünnen
Kühlkörpern in
einer Schicht auszurichten. Es ist ferner bevorzugt, dass das Verhältnis der
Anzahl der Atome des Metalls (B) zu der in dem gesamten Kühlkörper nicht
weniger als 0,01 atm % und nicht mehr als 2,5 atm % beträgt. Das
Metall (B) existiert in der Form des Metallcarbids (B'), um die einzelnen
Diamantteilchen herum. Wenn das Metallcarbid (B') weniger als ein Viertel der Diamantoberfläche bedeckt,
was weniger als 0,01 atm % in dem Verhältnis der Anzahl der Atome
entspricht, kann keine starke Bindung erwartet werden. Folglich
kann, wenn die Schicht zu dick ist, entsprechend mehr als 2,5 atm
% eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufgrund
der schlechteren thermischen Leitfähigkeit des Metallcarbids (B') erwartet werden.
-
Eine
bevorzugtere Lösung
wird erreicht, wenn das Metall (B) wenigstens ein Metall ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Ti, Zr und Hf aufweist, und wenn das Verhältnis der
Anzahl der Atome in dem Metall (B) der in dem gesamten Kühlkörper nicht
weniger als 0,01 atm % und nicht mehr als 2,5 atm % beträgt, weil unter
diesen Bedingungen eine starke Bindung zwischen dem Metall (B'), den Diamantteilchen
und dem Metall (A), das als eine Matrix wirkt, geschaffen wird,
und weil eine geeignete Dicke des Metalls (B') aufrechterhalten wird, so dass die überlegene
Wärmeleitfähigkeit
des Diamant ausgenutzt wird.
-
Ein
noch weiter bevorzugtes Resultat kann erreicht werden, wenn ein
Metall (A) eine Legierung aus Silber und Kupfer unter der Bedingung
aufweist, dass Ag≧0,6
oder Cu≧0,8
in dem Volumenverhältnis
zwischen den beiden erfüllt
ist. Dass die Legierung aus Silber und Kupfer besteht, weist automatisch
auf einen Wirkungsgrad in der thermischen Leitfähigkeit hin, und es ist wesentlich,
den Zustand aufrecht zu erhalten, dass eine der Metallkomponenten
ihre Dominanz über
die andere in dem Volumenverhältnis
behält.
Der Grund liegt darin, dass, wenn ein größeres Verhältnis von entweder Silber oder
Kupfer gegeben ist, reiche Anteile von entweder Silber oder Kupfer
in der Legierung vorhanden sind, so dass die Wärmeleitfähigkeit näher zu der des einzelnen Metalls
selbst kommt.
-
Umgekehrt
ist, wenn der Zustand entweder 0,2<Ag<0,6 oder 0,4<Cu<0,8 ist, die Wärmeleitfähigkeit der
Verbindungsteile in der Gesamtcharakteristik dominieren, wobei eine
so hohe Wärmeleitfähigkeit
wie bei dem einzelnen Metall selbst nicht gezeigt wird; d.h., die
vorteilhaften Eigenschaften der Diamantteilchen und des Metalls
können
nicht ausgenutzt werden, und der Kühlkörper leidet unter einer schlechteren
thermischen Leitfähigkeit.
-
Das
Merkmal, das durch das Infiltrationsverfahren geboten wird, besteht
darin, dass das Metall (A) und das Metall (B) die Legierung (C)
bilden, die durch Hitze in einem Vakuum oder unter einem Druck unterhalb von
1000 atm in Kontakt mit den Metallteilchen geschmolzen wird, um
zu ermöglichen,
dass das Metall (B), das aus der Legierung (C) freigesetzt wird, über die
Oberfläche
der einzelnen Diamantteilchen dispergiert wird und das Metallcarbid
(B') als ein Resultat
der Reaktion mit dem Diamant dort bildet. Weil das Metall (B) mehr dazu
neigt, ein Carbid zu bilden, wenn es in Kontakt mit dem Diamant
kommt, als das Metall (A), wird das Metallcarbid (B') selektiv erzeugt,
welches die Diamantteilchen einschließt. Solche Verfahren sind alle
in den oben erwähnten,
vier Verfahren enthalten, wobei jedes davon daher das Produkt mit
einer äquivalenten
Qualität
liefern kann.
-
Das
Merkmal, das durch das Sinterverfahren als alternatives Mittel geboten
wird, ist ähnlich
zu dem von dem oben erwähnten
Infiltrationsverfahren, in dem, wenn die Diamantteilchen und Pulver
der Legierung (C) in einem geformten Körper gesintert werden, das
in der Legierung (C) enthaltende Metall (B) mit den Diamantteilchen
reagiert, um das Metallcarbid (B')
auf der Oberfläche
der einzelnen Diamantteilchen. Es ist ein wichtiger Punkt in der
Erfindung, dass das Metall (B), das in der Legierung (C) enthalten
ist, selektiv mit den Diamantteilchen selbst dann reagiert, wenn
der geformte Körper
das Metall (A) oder das Metall (D) enthält. Dieser Punkt ist den oben
erwähnten
vier Verfahren gemeinsam.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
einen Kühlkörper mit
einer hohen thermischen Leitfähigkeit
bereitzustellen, die erheblich größer ist als die Wärmeleitfähigkeit
des verwendeten Metalls aufgrund der überlegenen thermischen Leitfähigkeit
der Diamantteilchen. Weil der Kühlkörper einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem eines Kühlkörpers mit
einer Metallbasis und dem aus Metall hat, werden die Verbindungsprobleme,
die durch einen verbotenen Halbleiter verursacht werden, wirkungsvoll
eliminiert. Daher ist die vorliegende Erfindung besonders wirksam,
um einen Kühlkörper für Halbleiter
zu erzeugen, die eine große
Menge an Wärme
erzeugen oder die die Wärme
augenblicklich erzeugen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Darstellung eines Herstellungsverfahrens unter Verwendung des
Infiltrationsverfahrens der Erfindung. In den Schritten (a) und
(b) werden Diamantteilchen 2 in einen Behälter 1 gleichzeitig
mit einer Legierung (C) 3 oder vor der Legierung (C) 3
hineingegeben, und in dem Schritt (c) wird die Legierung (C) 3 geschmolzen,
wobei die geschmolzene Legierung (C) 4 ist. In dem Schritt
(d) wird das Metallcarbid (B') 5 auf der
Oberfläche
der einzelnen Diamantteilchen 2 gebildet. Der geformte
Körper
wird entfernt, wonach er gekühlt wird.
-
2 zeigt
ein anders Herstellungsverfahren unter Verwendung des Infiltrationsverfahrens
der Erfindung. In den Schritten (a) und (b) werden Diamantteilchen 2 und
die Legierung (C) 3 in einen Behälter 1 gegeben, und
in dem Schritt (c) wird die Legierung (C) 3 geschmolzen,
wobei die geschmolzene Legierung (C) 4 ist. In dem Schritt
(d) wird das Metallcarbid (B') 5 auf
der Oberfläche
der einzelnen Diamantteilchen 2 gebildet, und in dem Schritt
(e) wird ein Teil der geschmolzenen Legierung (C) 4 verdampft.
In dem Schritt (f) wird das separat vorgesehene Metall (A) 6 zu
dem Infiltrat hinzugegeben. Der geformte Körper wird dann entfernt, wonach
er gekühlt
wird.
-
3 zeigt
noch ein anderes Herstellungsverfahren unter Verwendung des Infiltrationsverfahrens
der Erfindung. In den Schritten (a) und (b) werden Diamantteilchen 2 und
die Legierung (C) und das separat vorgesehene Metall (A) 7 in
einen Behälter 1 gegeben.
In dem Schritt (c) wird die Legierung (C) geschmolzen, während das
separat vorgesehene Metall (A) noch nicht geschmolzen wird, wobei
die beiden Komponenten 8 sind. In dem Schritt (d) wird
das Metallcarbid (B') 5 ausgebildet,
und in dem Schritt (e) wird das separat vorgesehene Metall (A) geschmolzen;
die geschmolzene Legierung (C) und das geschmolzene, separat vorgesehene
Metall (A) sind zusammen 9. Der geformte Körper wird
entfernt, wonach er abgekühlt
wird.
-
4 zeigt
ein Herstellungsverfahren unter Verwendung des Sinterverfahrens
der Erfindung. In dem Schritt (a) werden Diamantteilchen, Pulver
der Legierung (C) und Pulver des separat vorgesehenen Metalls (A)
als Material bereitgestellt, und in dem Schritt (b) werden sie gemischt.
In dem Schritt (c) werden die gemischten Materialien in eine Gussform
gegeben, um einer Druckformgebung unterworfen zu werden. Der geformte
Körper
wird entfernt, und in dem Schritt (d) in einem Ofen gesintert. In
diesem Verfahren wird das Metallcarbid (B') auf der Oberfläche der einzelnen Diamantteilchen
gebildet. Der gesinterte Körper
wird entfernt, wonach er gekühlt
wird.
-
5 ist
eine graphische Darstellung, die die Auswirkungen der Menge des
Metalls (B) in der Erfindung zeigt.
-
6 ist
eine graphische Darstellung, die das Verhältnis der Zusammensetzung zeigt,
wenn eine Legierung aus Silber und Kupfer als Metall (A) in der
Erfindung verwendet wird, und sie zeigt, wie die Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers durch
das Verhältnis
beeinflusst wird.
-
7 ist
eine graphische Darstellung, die zeigt, wie die Wärmeleitfähigkeit
eines Kühlkörpers durch den
Durchmesser beeinflusst wird.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Der
Hauptinhalt der vorliegenden Erfindung ist es, dass ein Metall (B),
das wenigstens ein Metall ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus den Gruppen 4a und 5a des Periodischen
Systems und Chrom ein Metallcarbid (B') auf der Oberfläche der einzelnen Diamantteilchen
bildet, und dass das Metallcarbid (B') von einem Metall (A) eingeschlossen
ist, das wenigstens ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Cu, Ag, Au, Al, Mg und Zn aufweist, und dass das Metall (A)
die Matrix eines Kühlkörpers bildet.
Ein Kühlkörper, der
nur mit Diamantteilchen gebildet ist, ist im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit
ideal, seine thermische Ausdehnung ist jedoch geringer als die von
Halbleiter und verursacht damit eine thermische Verwindung. Dadurch wird
die Absorption der Differenz in der thermischen Ausdehnung zwischen
den zwei Komponenten durch ein Metall (A) erforderlich. Es ist jedoch
schwierig, eine ausreichende Bindungsfestigkeit zwischen den Metallteilchen
und dem Metall (A) zu erhalten. Die vorliegende Erfindung soll dieses
Problem lösen.
-
Es
ist möglich,
eine starke Bindung zwischen den Diamantteilchen und dem Metall
(A) durch Zwischenschaltung des Metallcarbids (B'), das aus dem Metall (B) hergestellt
ist, zu erhalten. Die Wärmeleitfähigkeit
kann durch Hinzufügung
der überlegenen
Leitfähigkeit
des Diamants gegenüber
der Leitfähigkeit
des einzelnen Metalls (A) selbst verbessert werden. Zusätzlich erzeugt
die Dispersion des Metalls (D), das wenigstens ein Metall ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Wolfram, Molybdän und Legierungen davon aufweist,
in das Metall (A) einen Effekt, den Unterschied in dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Diamantteilchen und dem Metall
(A) absorbieren, so dass ein stabilerer Kühlkörper erhalten wird.
-
Die
Wärmeleitfähigkeit
wird durch wechselseitige Übertragung
von Wärme
zwischen verschiedenen Arten von Materialien durch einen stark gebunden Übergangsbereich
wie in der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Wenn die Bindung an dem
Grenzbereich nicht ausreichend ist, wird die Wärmeleitfähigkeit durch die Wärmeleitfähigkeit
bestimmt, die für
das als Matrix verwendete Material spezifisch ist. Mehr speziell
ist unabhängig
von der Menge der Diamantteilchen mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit,
die in die Matrix des Metalls (A) eingebettet sind, die Wärmeleitfähigkeit
insgesamt durch die Wärmeleitfähigkeit
des Metalls (A) bestimmt, wenn die Bindung an dem Übergangsbereich
nicht die ausreichende Festigkeit hat, was nur einen geringen Effekt
trotz der Verwendung teurer Diamantteilchen bildet.
-
Wenn
Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
miteinander verbunden werden, verursacht die thermische Ausdehnung
interne Spannungen an einem der Materialien. Das Metall (A) wird
in der vorliegenden Erfindung diesen Spannungen ausgesetzt. Das
Metall (A) um die Diamantteilchen herum hat einen größeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten als die Diamantteilchen, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient
so klein ist wie 1,5 ppm/°C
in einem Bereich von Zimmertemperatur bis 200°C. An erhöhten Temperaturen wird das
Metall (A) folglich einer inneren Spannung aufgrund der Einschränkung durch die
kleinere Expansion der Diamantteilchen unterworfen, was den Koeffizienten
der thermischen Ausdehnung des Kühlkörpers insgesamt
kleiner macht als dem des Metalls (A). Um solch eine Bedingung gleichmäßig in dem
gesamten Kühlkörper zu
erzeugen, ist es erwünscht,
dass die einzelnen Diamantteilchen separat in der Matrix des Metalls
(A) angeordnet sind, ohne dass sie sich gegenseitig berühren. Solch
ein Aufbau ermöglicht die
gleichförmige
Verteilung der individuellen, internen Spannung in dem Kühlkörper insgesamt,
so dass eine Verwindung des Kühlkörpers verhindert
wird. Das spezielle Merkmale der vorliegenden Erfindung ist es,
dass der Kühlkörper solch
einen Aufbau hat, dass die Diamantteilchen mit dem Metallcarbid
(B') überdeckt
sind, das seinerseits von dem Metall (A) eingeschlossen ist.
-
Im
Hinblick auf die Bindungsfestigkeit zwischen dem Diamant und dem
Metall (A) ist es die beste Bedingung, dass das Metallcarbid (B') die gesamte Oberfläche der
Diamantteilchen einschließt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass, wenn wenigstens ein Viertel der
Oberfläche
der der Mantelteilchen von dem Metallcarbid (B') überdeckt
ist, ein ausreichender Effekt erhalten wird. Um stabile Bedingungen
sicherzustellen, ist es bevorzugt, dass nicht weniger als die Hälfte der
Oberfläche
der Diamantteilchen mit dem Metallcarbid (B') überdeckt
ist. Die restlichen Teile können
entweder das Metall (A) oder Poren sein, obwohl es bevorzugt ist,
weniger Poren zu haben.
-
Die
Auswahl des Durchmessers der Diamantteilchen hängt von der Größe des Kühlkörpers ab.
Wenn die Teilchen zu klein sind, wird die gesamte Wärmeleitfähigkeit
aufgrund vergrößerter Übergangsbereiche
zwischen den Teilchen und dem Metall reduziert. Wenn sie zu groß sind,
begrenzt dies die Dicke des Kühlkörpers. Der
angemessene Durchmesser ist zwischen 60 und 700 μm. Der am meisten bevorzugte
Durchmesser liegt zwischen 200 und 300 μm.
-
Das
erwünschte
Volumenverhältnis
der Diamantteilchen zu dem Gesamtvolumen des Kühlkörpers ist von 30 bis 70 Vol.-%,
wenn die Wärmeleitfähigkeit
und Ausdehnung berücksichtigt
wird. Wenn es geringer als 30 Vol.-% ist, kann eine effektive Wärmeleitfähigkeit
nicht erhalten werden. Wenn es mehr als 70 Vol.-% ist, ist die Einstellung
des thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit einem Halbleiter schwierig,
obwohl die Wärmeleitfähigkeit
ansteigt. Wenn das Volumenverhältnis
der Diamantteilchen zwischen 45 und 65 Vol.-% liegt, ist die Wärmeleitfähigkeit
ausreichend hoch und die internen Spannungen aufgrund der thermischen
Expansion werden unterdrückt,
was folglich bevorzugt wird.
-
Der
Zweck des Metallcarbids (B')
ist es, die Bindungsfestigkeit zwischen den Diamantteilchen und
dem Metall (A) zu verbessern. Wenn das Volumen des Metallcarbids
(B') zu groß ist, fällt die
Wärmeleitfähigkeit
wegen dessen schlechter thermischer Leitfähigkeit ab. Wenn es zu klein
ist, kann die Bindungsfestigkeit nicht verbessert werden. Die erwünschte Menge
an Metallcarbid (B')
ist zwischen 0,01 und 2,5 atm % in dem Verhältnis der Anzahl der Atome
zu der des gesamten Kühlkörpers. In
diesem Bereich ist die Bindungsfestigkeit zwischen den Diamantteilchen
und dem Metall (A) ausreichend, und die gesamte Wärmeleitfähigkeit
wird größer als
die des Metalls (A), ohne die Verminderung aufgrund der Anwesenheit
des Metallcarbids (B')
zu erleiden.
-
Ein
besonders bevorzugtes Resultat ergibt sich, wenn das Metallcarbid
(B') aus dem Metall
(B) gebildet wird, das wenigstens ein Metall ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Ti, Zr und Hf aufweist und ein Verhältnis der
Anzahl der Atome von 0,01 bis 2,5 atm % des gesamten Kühlkörpers hat,
weil die Wirkung des Metallcarbids (B') deutlicher hervortritt. Wenn das Verhältnis der
Anzahl der Atome geringer als 0,01 atm % ist, ist die Menge nicht
ausreichend, um die Oberfläche
der Diamantteilchen zu bedecken, so dass die resultierende Bindung
zu schwach ist, um die Verformung des fertigen Kühlkörpers bei erhöhten Temperaturen
zu verhindern. Wenn es mehr als 2,5 atm % beträgt, fällt die Wärmeleitfähigkeit aufgrund der überschüssigen Menge an
Metallcarbiden gegenüber
dem gesamten Kühlkörper ab.
-
Ferner
zeigt das Metall (A) seinen größten Effekt,
wenn es aus Silber und Kupfer zusammengesetzt ist. Das Volumenverhältnis von
Silber oder Kupfer zu der Legierung bestimmt den Effekt. Insbesondere
wird, wenn Ag ≧ 0,6
ist, wenn Ag dominiert, und wenn Cu ≧ 0,8 ist, wenn Cu dominiert,
die Wärmeleitfähigkeit
ausreichend hoch. Daher weicht bei dem Design der Zusammensetzung
des Metalls (A), wenn ein viel größeres Volumenverhältnis dem
einen der Bestandteile zugeordnet wird gegenüber dem anderen, die gesamte
Wärmeleitfähigkeit
nahezu die Leitfähigkeit
des dominanten Elements, und eine Struktur wird erreicht, in der
die überlegene,
Wärmeleitfähigkeit
des Diamants voll ausgenutzt wird. Das erwünschte Volumenverhältnis einer Legierung
wird je nach dem ausgewählten
Element unterschiedlich. Die Kombination von Silber und Kupfer ist höchst erwünscht, das
oben erwähnte
Volumenverhältnis
ist am meisten geeignet bei dieser Kombination. In diesem Verhältnis zeigt
die Verwendung von Titan als das Metall (B) einen ausgeprägten Effekt.
Die Daten, die aus dieser Kombination erhalten wurden, sind in 6 gezeigt. 6 ist
eine graphische Darstellung des ternären Systems, wobei das Volumenverhältnis der
Diamantteilchen, Silber und Kupfer in einem fertigen Kühlkörper aufgetragen
ist, was anzeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit
eines fertigen Kühlkörpers mit
dem Volumenverhältnis
von Silber und Kupfer variiert, die beide das Metall (A) bilden.
-
Ein
Kühlkörper mit
solch einem Aufbau kann durch das unten beschriebene Verfahren hergestellt
werden. Das erste Verfahren ist das Infriltrationsverfahren. Vier
Verfahren in dieser Kategorie werden unten beschrieben. In dem ersten
Verfahren werden eine Vielzahl Diamantteilchen in einem Behälter aus
einem Material, das einen höheren
Schmelzpunkt als das Metall (A) und wenig Benetzbarkeit gegenüber dem
Metall (A) hat, beispielsweise Quarz oder Kohlenstoff, zusammen
mit der Legierung (C), die aus dem Metall (A) und dem Metall (B)
hergestellt ist, gleichzeitig oder vor der Zugabe der Legierung
(C) gegeben. Der Behälter
wird in einem Ofen in einem Vakuum oder bei einer Temperatur unterhalb
1000 atm in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre aufgeheizt. In 0,5 bis 10
Minuten unter diesen Bedingungen ist das in der Legierung (C) enthaltene
Metall (B) um die Diamantteilchen herum dispergiert, um das Metallcarbid
(B') auf der Oberfläche der
einzelnen Diamantteilchen zu bilden, wobei die Legierung (C) selbst
die Zwischenräume
zwischen den Diamantteilchen eindringt, wodurch die gesamten Dimensionen
reduziert werden. Der fertige Körper
wird entfernt, nachdem er gekühlt
ist.
-
Das
zweite Verfahren ist nahezu das gleiche wie das erste mit der Ausnahme,
dass die Legierung (C) in einem Vakuum nach der Schmelze verdampft.
Wenn die Verdampfung ein gewisses Maß erreicht, wird das separat
vorgesehen Metall (A) zugegeben und erhitzt, um in die Zwischenräume in einem
Vakuum oder unter einem Druck unterhalb von 1000 atm einzudringen.
Die Zusammensetzung des separat vorge sehen Metalls (A) kann sich
von der des Metalls (A), das in der Legierung (C) enthalten ist,
unterscheiden.
-
Das
dritte Verfahren spezifiziert die Auswahl des Metalls (A). Ein anderes
Metall (A) wird separat außer dem
Metall (A), das die Legierung (C) mit dem Metall (B) bildet, vorgesehen.
Das separat vorgesehen Metall (A) wird so ausgewählt, das es einen höheren Schmelzpunkt
als die Legierung (C) hat, so dass die Legierung (C) separat schmelzen
kann, wenn sie zusammen mit den Diamantteilchen und dem separat
vorgesehen Metall (A) in einem Vakuum oder bei einem Druck unterhalb
von 1000 atm erhitzt wird.
-
Wenn
die Legierung (C) geschmolzen ist und das Metallcarbid (B') auf der Oberfläche der
Diamantteilchen ausgebildet ist, gibt es zwei Arten von Metall (A)
in dem Behälter,
d.h. das Metall (A), das in der Legierung (C) enthalten ist, und
das separat vorgesehene Metall (A). Die Materialien für die beiden
Arten des Metalls (A) können
entweder dieselben sein oder sich voneinander unterscheiden. Wenn
das gleiche Material verwendet wird, muss das Metall (A) den Schmelzpunkt
der Legierung (C), die das Metall (A) mit dem Metall (B) bildet, herabsetzen.
Nachdem die Legierung (C) geschmolzen ist, wird die Beheizung fortgesetzt,
um die Temperatur über
den Schmelzpunkt des separat vorgesehenen Metalls (A) hinaus anzuheben,
so dass es in die Zwischenräume
eindringen kann.
-
Das
vierte Verfahren spezifiziert ebenfalls die Auswahl des Metalls
(A). Auf ähnliche
Weise wird ein anderes Metall (A) separat zusätzlich zu dem Metall (A), das
die Legierung (C) zusammen mit dem Metall (B) bildet, vorgesehen.
Das separat vorgesehene Metall (A) wird so ausgewählt, dass
es einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Legierung (C) hat, so
dass das separat vorgesehene Metall (A) selektiv schmelzen kann, wenn
es zusammen mit den Diamantteilchen und der Legierung (C) in einem
Vakuum oder bei einer Temperatur unterhalb 1000 atm aufgeheizt wird.
Wenn es aufgeheizt wird, schmilzt das separat vorgesehene Metall (A)
zuerst und bildet Flüssigkeitstropfen
aus geschmolzenem Material zwischen den Diamantteilchen oder an Stellen
unter Abstand von den Diamantteilchen. Die Aufheizung wird fortgesetzt,
um die Legierung (C) zu schmelzen, so dass sie in die Zwischenräume zwischen
den Diamantteilchen und die Flüssigkeitstropfen
des Metalls (A) eindringt, und das Metall (B), das aus der Legierung
(C) freigesetzt wird, reagiert mit den Diamantteilchen, um das Metallcarbid
(B') zu bilden.
Unmittelbar nach dieser Reaktion sind die Legierung (C) und das separat
vorgesehene Metall (A) zwischen den Diamantteilchen dispergiert.
Unter diesen Bedingungen wird eine Schicht aus Metallcarbid (B') auf der Oberfläche der
Diamantteilchen gebildet, die in der Legierung (C) eingeschlossen
ist, deren Zwischenräume
durch das separat vorgesehene Metall (A) ausgefüllt sind. Das vorstehende beschreibt
das Herstellungsverfahren durch das Infiltrationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Das
andere Verfahren gemäß der Erfindung
zur Herstellung des Kühlkörpers ist
das Sinterverfahren. Vier Verfahren dieser Kategorie werden unten
beschrieben. In dem Sinterverfahren werden alle Materialien außer den
Diamantteilchen pulverisiert und miteinander vermischt. Durch Sintern
des geformten Körpers
wird das Metall (B), das in der Legierung (C) enthalten ist, auf
der Oberfläche
der Diamantteilchen dispergiert, um das Metallcarbid (B') zu bilden.
-
In
dem ersten Verfahren werden die Diamantteilchen und Pulver der Legierung
(C), die aus dem Metall (A) und dem Metall (B) hergestellt ist,
gemischt. Obwohl das Mischen entweder durch ein trockenes Verfahren oder
durch ein Nassverfahren durchgeführt
werden kann, ist das Nassverfahren unter Verwendung eines organischen
Lösungsmittels
oder eines anderen Mittels bevorzugt, um eine gleichförmige Mischung
zu erhalten, weil das Mischen für
unterschiedliche Formen von Materialien, beispielsweise Teilchen
und Pulver, bestimmt ist. Die Mischung wird nach Trocknung, wenn
erforderlich, in einer Gussform durch Druck geformt. Der geformte
Körper
wird in einem Ofen gesintert. Die Sinterung wird in einer nicht-oxidierenden
Atmosphäre
oder einer reduzierenden Atmosphäre
bei einer Temperatur etwas höher
als der Schmelzpunkt der Legierung (C) durchgeführt. Beim Schmelzen schließt die Legierung
(C) die Diamantteilchen ein, und das Metall (B), das in der Legierung
(C) enthalten ist, reagiert mit den Diamantteilchen an der Oberfläche, um
das Metallcarbid (B')
zu erzeugen, wodurch eine Bindung zwischen den Diamantteilchen und
dem Metall hergestellt wird. Nach Entnahme aus der Gussform und
nach Abkühlung
wird der gesinterte Körper
auf die gewünschte
Größe des Kühlkörpers geschliffen
und endbearbeitet.
-
In
dem zweiten Verfahren werden die Diamantteilchen mit den Pulvern
der Legierung (C), die aus dem Metall (A) und dem Metall (B) hergestellt
ist, und Pulvern des separat vorgesehenen Metalls (A) gemischt,
das einen höheren
Schmelzpunkt als die Legierung (C) hat. Obwohl die Mischung entweder
durch das Trockenverfahren oder das Nassverfahren durchgeführt werden
kann, ist das Nassverfahren unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels
oder eines anderen Mittels bevorzugt, um eine gleichmäßige Mischung
zu erhalten. Die Mischung wird in einer Gussform druckverformt.
Der geformte Körper
muss getrocknet werden, wenn das Nass-Vermischen verwendet wird.
Der gesinterte Körper
wird in einem Ofen gesintert. Die Sinterung wird bei einer Temperatur
höher als
der Schmelzpunkt der Legierung (C) und niedriger als der des separat
vorgesehenen Metalls (A) durchgeführt, um die Legierung (C) separat
zu schmelzen. Das Metall (B), das in der Legierung (C) enthalten
ist, reagiert mit den Diamantteilchen an der Oberfläche, um
das Metallcarbid (B')
zu bilden. Die Aufheizung und Abkühlung werden in einer nicht oxidierenden
Atmosphäre
durchgeführt.
Wenn ohne weitere Aufheizung abgekühlt wird, bleibt das separat
vorgesehene Metall (A) als Pulver bestehen. Wenn die Aufheizung
fortgesetzt wird, schmelzen die Pulver des separat vorgesehenen
Metalls (A), um eine Metallmatrix zusammen mit der Legierung (C)
zu bilden. Beide Verfahren können
den Kühlkörper der
vorliegenden Erfindung liefern.
-
In
dem dritten Verfahren werden dieselben Materialien wie in dem zweiten
Verfahren bereitgestellt. Jeder geformte Körper wird jedoch bei einer
Temperatur höher
als der Schmelzpunkt des separat vorgesehenen Metalls (A) gesintert.
Sowohl die Legierung (C) als auch das separat vorgesehene Metall
(A) schmelzen zur gleichen Zeit und bilden eine Matrix. Während des
Schmelzvorgangs bildet das Metall (B), das in der Legierung (C)
enthalten ist, das Metallcarbid (B') an der Oberseite der Diamantteilchen.
Wenn eine relativ große
Menge an Diamantteilchen verwendet wird, zieht die Oberflächenspannung
des geschmolzenen Metalls die Diamantteilchen an und hält die Form,
wobei die Kontraktionskraft überwunden
wird. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Metall (B), das in der Legierung
(C) enthalten ist, mit der Oberfläche der Diamantteilchen in
Kontakt kommt und das Metallcarbid (B') bildet, wird aufgrund der Anwesenheit
des separat vorgesehenen Metalls (A) reduziert. Wenn das Metallcarbid
(B') auf wenigstens
einem Viertel der Oberfläche
der Diamantteilchen ausgebildet wird, ist die Bindung zwischen den
Diamantteilchen und dem Metall ausreichend. Das Vorhandensein von
Poren in dem fertigen Produkt verursacht kein Problem.
-
Das
vierte Verfahren ist eine Abwandlung des zweiten Verfahrens, und
der Kühlkörper umfasst
ein Metall (D), das aus wenigstens einem Metall ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Wolfram, Molybdän und Legierungen davon aufweist.
Die Diamantteilchen, Pulver der Legierung (C) und Pulver des Metalls
(D) werden bereitgestellt. Pulver eines separat vorgesehenen Metalls
(A) können
gleichzeitig zugegeben werden. Das Metall (D) hat einen höheren Schmelzpunkt
als die Legierung (C) oder das separat vorgesehene Metall (A) wegen der
Anwesenheit von Wolfram und Molybdän. Wenn ein geformter Körper, der
aus Diamantteilchen, Pulvern der Legierung (C) und Pulvern des Metalls
(D) – und
zusätzlich
Pulvern des separat vorgesehenen Metalls (A), wenn dies vorgesehen
ist, – hergestellt
ist, in dem Sinterprozess erhitzt wird, schmilzt das Metall (D)
nicht. Das Metall (D) hat keinen Einfluss darauf, dass das Metall
(B) das Metallcarbid (B')
auf der Oberfläche
der Diamantteilchen ausbildet. Pulver des Metalls (D) werden beim
Abkühlen
durch die Legierung (C) fixiert. Auf diese Weise wird ein Kühlkörper fertig
gestellt, der das Metall (C) zusätzlich
zu den Diamantteilchen, dem Metallcarbid (B') über
denselben und dem Metall (A) enthält. Dieser Kühlkörper macht
es leicht, den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung desselben
mit Hilfe des Metalls (D) einzustellen. Indem es einen mittleren
Koeffizienten der Wärmeausdehnung
zwischen dem niedrigen Koeffizienten der Diamantteilchen und dem
hohen Koeffizienten des Metalls (A) hat, absorbiert das Metall (D)
die Spannungskonzentration aufgrund einer ungleichmäßigen, thermischen
Spannungsbeanspruchung in dem Kühlkörpers als
solches.
-
Die
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung, die oben beschrieben wurden, sind zur Herstellung eines
Kühlkörpers bestimmt.
Was die Auswahl der Materialien für die Herstellung betrifft,
kann das Metall bei dem Infiltrationsverfahren entweder Pulver oder
eine Masse sein. Bei dem Sinterverfahren sollte das Metall aus Pulver
oder Granulat bestehen. Damit das Pulver der Legierung (C) selektiv
an der Oberfläche
der Diamantteilchen haftet, sollten insbesondere die Diamantteilchen
und die pulverisierte Legierung (C) durch ein Nassverfahren mit
einem organischen Lösungsmittel
oder einem anderen Mittel gemischt werden, so dass die Diamantteilchen
durch die Legierung (C) eingeschlossen sind, bevor sie mit anderen
Materialien gemischt werden. Auf diese Weise wird die Ausbildung
des Metallcarbids (B')
sichergestellt.
-
Die
Mengen der Diamantteilchen und der Legierung (C) können aufgrund
der Designzahlen der thermischen Leitfähigkeit und des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten für
den Kühlkörper entschieden
werden. Es ist wesentlich, die Menge des Metalls (B) sicherzustellen,
weil die Anwesenheit des Metallcarbids (B') eine wichtige Rolle bei der Eigenschaft
des Kühlkörpers spielt.
-
Wie
oben erwähnt
wurde, gibt es wenigstens acht Verfahren, um den Kühlkörper gemäß der Erfindung herzustellen.
Alle davon können
einen Kühlkörper mit
einer thermischen Leitfähigkeit
produzieren, die besser ist als die des verwendeten Metalls, und
mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist
als der des Metalls (A) und größer als
der des Diamant.
-
Der
Kühlkörper, der
erfindungsgemäß hergestellt
wurde, kann alleine verwendet werden, kann in Kombination mit anderen
Kühlkörpern verwendet
werden oder kann mit einer Oberflächenplattierung verwendet werden.
Wenn der Kühlkörper mit
einem Halbleiter verbunden wird, ist es erwünscht, dass ein Lötmittel
aus Au-Sn- oder Au-Ge-Legierung verwendet wird.
-
BEISPIEL 1
-
Dieses
Beispiel entspricht dem ersten Verfahren der Infiltration. Diamantteilchen
mit einem Durchmesser von 200 bis 300 μm und die Legierung (C) der
Art und mit dem Volumen-Verhältnis,
das in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden in einen Quarzbehälter eingebracht.
Die Legierungen (C) der Beispiele 1-1 bis 1-8 waren scheibenförmig und
für die
Beispiele 1-9 bis 1-12 Pulver. Die Menge an Diamantteilchen waren
55 bis 65 des Gesamtvolumens des Kühlkörpers. Was die Legierung (C)
betrifft, ist das Volumenverhältnis
zwischen Silber und Kupfer, die in dem Metall (A) enthalten sind,
in Tabelle 1 gezeigt, die Art und die Menge des Metalls (B) sind
ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt, wobei die Menge als Verhältnis der
Anzahl der Atome zu der des gesamten Kühlkörpers ausgedrückt ist.
Die Anzahl der Atome des Metalls ist ein Wert, der beispielsweise
durch Division des Gewichts des Metalls durch sein mittleres Atomgewicht
erhalten wird. Der Grund für
die Verwendung dieser Zahl liegt darin, dass die Wirkung des Metalls
(B) nicht durch das Gewicht oder das Volumen, sondern durch die Menge
der Atome über
der Oberfläche
der Diamantteilchen bestimmt wird.
-
Bei
den Mustern 1-1 bis 1-6, 1-9 und 1-10 wurde die Legierung (C) bei
10-5 Torr oder darunter in einer Vakuumkammer geschmolzen. Bei den
Mustern 1-7 und 1-11 wurde die Legierung (C) in einem Druckbehälter mit
einer Argon-Atmosphäre
bei 1 atm; bei den Mustern 1-8 und 1-12 bei 3 atm geschmolzen. Nachdem
sie etwa 3 Minuten nach dem Schmelzen gehalten wurden, wurden die
Muster nach Abkühlung
entfernt, um für die
gewünschte
Größe des Kühlkörpers fertig
bearbeitet zu werden.
-
Eine Übersicht
des Verfahrens ist in 1 gezeigt. Der verwendete Behälter ist
aus Quarz, obwohl auch Kohlenstoffbehälter verwendet werden können. Selbst
Metallbehälter
können
verwendet werden, wenn sie kaum ein Eutektikum mit dem Metall oder
der Legierung bilden, die als das Material verwendet werden, und wenn
sie einen Schmelzpunkt höher
als 1000°C
haben. In diesem Fall muss der Metallbehälter geschliffen werden, um
den darin befindlichen Kühlkörper zu
entfernen. Obwohl die Legierung (C), die aus dem Metall (A) und
dem Metall (B) hergestellt ist, als Scheibe in 1 gezeigt
ist, können
in ähnlicher
Weise Pulver oder Granulate verwendet werden. Pulver können entweder
auf der Oberseite der Masse der Diamantteilchen angeordnet oder
mit den Diamantteilchen vor der Reingabe in den Behälter gemischt
werden.
-
Obwohl
die Daten nicht gezeigt sind, wurde bestätigt, dass selbst bei einem
Druck höher
als 10 atm der gemäß der Erfindung
hergestellte Kühlkörper hergestellt
werden kann, indem eine Druck-Formungsmaschine
verwendet wird, solange eine Atmosphäre aus inertem Gas verwendet
wird.
-
Die
Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper wurde
mit einem Laser-Hitze-Verfahren gemessen, und die Resultate sind
in Tabelle 1 zusammen mit denen der Legierung (C) dargestellt. Wie
aus der Tabelle zu ersehen ist, hat der Kühlkörper eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit
als die Legierung (C). Dies belegt, dass das Metall (B), das in
der geschmolzenen Legierung (C) enthalten ist, mit den Diamantteilchen
reagiert hat, und das Metallcarbid (B') auf der Oberfläche der Diamantteilchen gebildet
hat, was die starke Verbindung zwischen dem Diamant und dem Metall
liefert. Die Analyse bestätigte
das Vorhandensein von TiC, ZrC und HfC auf der Oberfläche der
Diamantteilchen in dem Kühlkörper.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 2
-
Dieses
Beispiel entspricht dem zweiten Verfahren der Infiltration. Derselbe
Typ von Quarzbehälter,
wie er in dem Beispiel 1 verwendet wurde, wurde bereitgestellt,
und Diamantteilchen mit einem Durchmesser von 200 bis 300 μm wurden
zugegeben, bis sie 55 bis 65 % des Gesamtvolumens des Füllkörpers einnahmen.
Die Legierungen (C) mit verschiedenen Sorten und Volumina wurden,
wie in Tabelle 2 gezeigt ist, in Form einer Scheibe bei den Mustern
2-1 bis 2-9 und in Form von Pulver bei den Mustern 2-10 und 2-11
zugegeben. Das Muster wurde bei demselben Vakuummaß wie bei
dem Beispiel 1 aufgeheizt, um die Legierung (C) zu schmelzen. Es
wurde unter den gleichen Bedingungen während 2 Minuten gehalten, und
dann wurde das Muster einem Temperaturanstieg ausgesetzt, um die
Legierung (C) bis zu einem solchen Maß zu verdampfen, dass Zwischenräume zwischen
den Diamantteilchen existieren. Die Betrachtung des entfernten Musters
zeigte, dass, während
die Legierung (C) an dem Boden des Behälters übrig blieb, an dem oberen Teil
des Behälters
Zwischenräume
zwischen den Diamantteilchen vorhanden waren, wobei eine der Legierung
(C) übrig
blieben. Das Muster in diesem Zustand wurde erneut in die Vakuumkammer
gebracht, und das separat vorgesehene Metall (A), das in Tabelle
2 gezeigt ist, wurde in derselben Form und Menge zugegeben wie die
Legierung (C), die als erstes zugegeben worden war. Die Aufheizung
und die Vakuumbehandlung wurden wieder aufgenommen, um das separat
vorgesehene Metall (A) zu schmelzen, so dass das geschmolzene Metall
(A) in die Zwischenräume
zwischen den Diamantteilchen eindringen kann. Nachdem angenommen
wurde, dass die Infiltration abgeschlossen war, wurde das Muster
heruntergekühlt,
um die Entnahme des fertigen Kühlkörpers aus
dem Behälter
zu gestatten. Eine Endbearbeitung wurde durchgeführt, um den gewünschten
Kühlkörper zu
erhalten. Bei dem Beispiel 2 ist es, obwohl die Resultate nicht
gezeigt sind, möglich,
den gewünschten
Kühlkörper mit
anderen Alternativen in den Herstellungsbedingungen herzustellen,
beispielsweise in Bezug auf ein Behältermaterial, eine atmosphärische Bedingung
und eine Form der Legierung, wie in Beispiel 1 beschrieben wurde.
-
Die
Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper ist
in Tabelle 2 gezeigt. Die Resultate zeigen, dass der Kühlkörper eine
höhere
Wärmeleitfähigkeit
als das separat vorgesehene Metall (A) oder die Legierung (C) hat. Dies
belegt, dass das Metall (B) einen großen Effekt auf die Wärmeleitfähigkeit
des fertigen Kühlköpers hat.
-
Eine
Darstellung des Verfahrens in Beispiel 2 ist in 2 gezeigt.
Obwohl die Legierung (C) in 2 als Scheibe
gezeigt ist, können
auch Pulver desselben mit den Diamantteilchen vor dem Einbringen
in den Behälter
gemischt werden.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 3
-
Dieses
Beispiel entspricht dem dritten Verfahren der Infiltration. Die
Diamantteilchen, die die gleiche Größe und das Volumen haben, wie
in dem Beispiel 1 beschrieben wurde, wurden in einem Quarzbehälter eingebracht.
Die Legierungen (C) und das separat vorgesehene Metall (A) wurden,
wie in Tabelle 3 gezeigt ist, jeweils in Form einer Scheibe bei
den Mustern 3-1 bis 3-8 und in Form von Pulver bei den Mustern 3-9
und 3-10 zugegeben. Wenn Pulver verwendet wurde, wurden sie mit
den Diamantteilchen vor dem Eingeben in den Behälter gemischt. Die Legierung
(C) und das Metall (A) sind vom selben Gewicht. Das Muster wurde
unter denselben Vakuumbedingungen wie bei Beispiel 1 aufgeheizt,
um die Legierung (C) selektiv zu schmelzen. Weil die Legierung (C)
einen niedrigeren Schmelzpunkt als das separat vorgesehene Metall (A)
hat, mit dem es kombiniert wird, schmolz die Legierung (C) zuerst.
Die Bedingungen wurden während
5 Minuten unverändert
gehalten, um das Metallcarbid (B')
zu bilden. Dann wurde die Temperatur angehoben, um das Metall (A) zu
schmelzen. Ohne die Legierung (C) hat das Metall (A) keine Fähigkeit,
in die Zwischenräume
zwischen den Diamantteilchen einzudringen, weil es eine geringe
Benetzungsfähigkeit
im Bezug auf Diamant hat. Wenn jedoch das Metallcarbid (B') auf der Oberfläche der
Diamantteilchen aufgrund der Schmelze der Legierung (C) ausgebildet
ist, beginnt das Metall (A) seine Infiltration, weil es eine gute
Benetzungsfähigkeit
in Bezug auf die Legierung hat. Das Muster wurde heruntergekühlt, um
den ausgebildeten Kühlkörper aus
dem Behälter
zu entfernen. Eine Endbearbeitung wurde durchgeführt, um die gewünschte Größe des Kühlkörpers zu
erhalten. Eine Übersicht
des Herstellungsverfahrens für
dieses Beispiel ist in 3 gezeigt.
-
Die
Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper ist
in Tabelle 3 gezeigt. Die Resultate zeigen, dass der Kühlkörper, der
in der oben beschriebenen Weise hergestellt wurde, eine höhere Wärmeleitfähigkeit
als das verwendete Metall hat.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 4
-
Dieses
Beispiel entspricht dem vierten Verfahren der Infiltration. Diamantteilchen
mit einem Durchmesser von 200 bis 300 μm, eine Scheibe der Legierung
(C) und eine Scheibe des separat vorgesehen Metalls (A), das in 4 gezeigt
ist, wurden in einen Quarzbehälter
gegeben. Die Muster 4-1 bis 4-5 werden auf 10–5 Torr
in einer Vakuumkammer aufgeheizt. Die Muster 4-6 und 4-7 werden
in einer Argongasatmosphäre
bei 1 atm, und das Muster 4-8 bei 3 atm in einem Druckbehälter aufgeheizt.
Die Aufheiztemperatur wurde angehoben und bei einer Temperatur in
etwa gleich dem Schmelzpunkt des Metalls (A) gehalten, und dann
auf den Schmelzpunkt der Legierung (C) angehoben. Vor dem Schmelzen
der Legierung (C) war das geschmolzene Metall (A) in Form von Flüssigkeitstropfen
zwischen den Diamantteilchen und auf dem Oberflächenbereich der Masse des Diamantmaterials
nicht ausreichend verteilt, weil es eine schlechte Benetzungsfähigkeit
in Bezug auf Diamant hat. Sobald die Legierung (C) geschmolzen war,
bildete das Metall (B), das in der Legierung (C) enthalten war,
das Metallcarbid (B')
auf der Oberfläche
der Diamantteilchen, und das geschmolzene Metall (A) drang in die
Zwischenräume
zwischen den Diamantteilchen ein, weil es eine gute Benetzungsfähigkeit
in Bezug auf die Legierung hat.
-
Nachdem
es während
2 Minuten nach dem Anheben der Temperatur auf dem Schmelzpunkt der
Legierung (C) erhalten wurde, wurde das Muster allmählich heruntergekühlt. Wenn
es auf Zimmertemperatur abgekühlt
war, wurde es aus dem Behälter
entnommen, um auf die gewünschte
Größe des Kühlkörpers endbearbeitet
zu werden.
-
Die
Menge an Diamantteilchen, die in diesem Beispiel verwendet wurde,
war 55 bis 65 % des Gesamtvolumens des fertigen Kühlkörpers. Das
Gewicht der Legierung (C) war das gleiche wie bei dem Metall (A). Die
Menge des Metalls (B), das in der Legierung (C) enthalten ist, war
0,6 atm % für
alle in der Tabelle 4 gezeigten Muster, wobei die Menge durch das
Verhältnis
der Anzahl der Atome zu der des gesamten Kühlkörpers ausgedrückt ist.
-
Gemessene
Resultate der Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper sind
in Tabelle 4 gezeigt. Diese Resultate bestätigen, dass der Kühlkörper eine
höhere
Wärmeleitfähigkeit
als die Legierung oder das verwendete Metall hat. Es ist zu beachten,
dass die Muster 4-4 und 4-5 Vergleichsdaten zu denen zeigen, die
mit den Mustern erhalten wurden, die das gleiche Ag-Cu-System-Metall
haben, das in den Beispielen 2 und 3 gezeigt ist. Was die Wärmeumgebung
betrifft, so zeigten die Resultate, die mit Mustern erhalten wurden,
die in einem Vakuum, unter atmosphärischem Druck oder unter Druckbedingungen
hergestellt wurden, keinen signifikanten Unterschied, solange eine
Inertgasatmosphäre
verwendet wurde, wie aus den Beispielen 4-1, 4-6 und 4-8 zu ersehen
ist.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 5
-
Dieses
Beispiel entspricht dem zweiten Sinterverfahren. Diamantteilchen
mit einem Durchmesser von 200 bis 300 μm, Pulver der Legierung (C)
und Pulver des separat vorgesehenen Metalls (A), das in Tabelle
5 gezeigt ist, wurden gemischt. Die Menge der Diamantteilchen waren
40 bis 50 % des Gesamtvolumens des Kühlkörpers. Was die Legierung (C)
betrifft, ist das Volumenverhältnis
zwischen Silber und Kupfer, die in dem Metall (A) enthalten waren,
in der Tabelle 5 gezeigt, und die Menge des Metalls (B) ist ebenfalls
in Tabelle 5 gezeigt, wo die Menge als Verhältnis der Anzahl der Atome
zu der des gesamten Kühlkörpers ausgedrückt ist. Das
Metall (A) wurde so gewählt,
dass es einen höheren
Schmelzpunkt als die Legierung (C) hat. Das Gewicht der Legierung
(C) war das gleiche wie das des Metalls (A). Für Vergleichszwecke wurden die
Muster 5-3 und 5-6 als Muster ohne die Legierung (C) und das Muster
5-7 ohne das Metall (A) hergestellt.
-
Der
gemischte Körper
aus Diamantteilchen und Pulvern wurde in die gewünschte Form unter Druck durch eine
Presse bei einem Druck von etwa 2000 kg/cm2 geformt.
Der geformte Körper
wurde in einen Sinterofen eingebracht und in einer Inertgasatmosphäre auf eine
Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung (C) aufgeheizt,
wobei die Temperatur während
1 Minute gehalten wurde. Nachdem es allmählich auf die Umgebungstemperatur
abgekühlt
war, wurde das Muster auf die gewünschte Größe geschliffen.
-
Die
gemessenen Resultate der Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper sind
in Tabelle 5 zusammen mit denen für den Metallteil alleine gezeigt.
Die Resultate zeigen, dass das Metall (B), das in der Legierung
(C) enthalten ist, eine wichtige Rolle bei der Festlegung der gesamten
Wärmeleitfähigkeit
des fertigen Kühlkörpers spielt,
weil die Muster ohne das Metall (B) eine geringere Wärmeleitfähigkeit
als andere zeigten, wie aus den Daten im Zusammenhang mit den Mustern
5-3 und 5-6 zu ersehen ist. Eine Analyse bestätigte das Vorhandensein von
TiC auf der Oberfläche
der Diamantteilchen in dem Kühlkörper, der
in der oben beschriebenen Weise hergestellt wurde, d.h. die Ausbildung
des Metallcarbids (B')
wurde bestätigt.
Die Beobachtung der Diamantteilchen, die an dem Querschnitt auftreten,
wenn ein fertiger Kühlkörper an
verschiedenen Punkten aufgebrochen wurde, zeigte, dass ein Film
von TiC ein Viertel oder mehr der Oberfläche der Diamantteilchen, nicht
notwendigerweise die gesamte Oberfläche, abgedeckt.
-
Eine Übersicht
des Verfahrens in dem Beispiel 5 ist in 4 gezeigt.
Diamantteilchen, Pulver der Legierung (C) und Pulver des Metalls
(A) werden durch eine Mischvorrichtung gemischt. Der gemischte Körper wurde
unter Druck durch eine Presse auf die gewünschte Form geformt. Der geformte
Körper
wurde in einer Inertgas- oder reduzierenden Atmosphäre in einem
Vakuum, unter atmosphärischem
Druck oder unter einer Druckbedingung bei einer Temperatur der Sinterung
der Legierung (C) aufgeheizt, wobei die Temperatur während 1
Minute gehalten wurde. Wenn eine Legierung (C) verwendet wurde,
wurde die Temperaturbedingung für
das einzige Metall (A) verwendet. Nachdem er allmählich auf
die Umgebungstemperatur abgekühlt
war, wurde der Kühlkörper auf
die gewünschte
Größe des Kühlkörpers geschliffen.
Was die Muster 5-3 und 5-6, die keine Legierung (C) haben, betrifft,
so nahm das Schleifen derselben Zeit in Anspruch wegen der geringen
Bindung zwischen den Diamantteilchen und dem Metall (A), was bewirkt,
dass starkes Schleifen die Form zerkrümelt.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 6
-
Dieses
Beispiel wurde ausgeführt,
um die Wirkung der Sintertemperatur auf die Wärmeleitfähigkeit des fertigen Kühlkörpers zu überprüfen. Dieselbe
Kombination von Diamantteilchen, Pulver der Legierung (C) und Pulver
des separat vorgesehen Metalls (A) wie in dem Muster 5-1 von Beispiel
5 wurde verwendet. Muster wurden bei einer Sintertemperatur zwischen
600 und 900°C
während
1 Minute wie bei dem Beispiel 5 gehalten. Die gemessenen Resultate
der Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper sind
in Tabelle 6 gezeigt. Die Daten der Muster 6-1 und 6-2 zeigen, dass
die Wärmeleitfähigkeit
des fertigen Kühlkörpers wesentlich
geringer ist als der des Metallteils, wodurch keine Wirkung des
Diamants bestätigt
wird. Eine Beobachtung der Oberfläche der Diamantteilchen an
dem Querschnitt, wenn ein fertiger Kühlkörper aufgebrochen wurde, zeigte,
dass kein TiC gebildet war. Die Resultate bestätigten, dass unterhalb des
Schmelzpunktes der Legierung (C), 830°C, die Bindung zwischen den
Metallteilchen und dem Metall ungenügend ist und dass kein Effekt
der Kombination der Materialien erreicht wird.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 7
-
Dieses
Beispiel wurde ausgeführt,
um den Effekt des Metalls (B) auf die Wärmeleitfähigkeit des fertigen Kühlkörpers zu
klären.
Der gemischte Körper
aus Diamantteilchen, die einen Durchmesser von etwa 300 μm haben und
40 bis 50 % des Gesamtvolumens des Kühlkörpers einnehmen, und Pulver
der Legierung (C), die in Tabelle 7 gezeigt ist, wurden bei etwa
2000 kg/cm2 druckgeformt. Die geformten
Körper
der Muster 7-1 bis 7-7 werden in einen Sinterofen gegeben und in
einer Wasserstoffgasatmosphäre
bei 1 atm gesintert. Die Muster 7-8 und 7-9 wurden in eine Vakuumkammer
gegeben und in einem Vakuum von 10-5 Torr
oder darunter gesintert. Nachdem das Muster während 0,5 Minuten unter den
Sinterbedingungen gehalten und dann abgekühlt wurde, wurde es dann auf
die gewünschte
Größe des Kühlkörpers geschliffen.
Die Wärmeleitfähigkeit
der Kühlkörper ist
in Tabelle 7 gezeigt. Die Muster 7-1 und 7-7 haben nicht das Metall
(B), das in die Legierung (C) einbezogen werden sollte. Da sie nur
das separat vorgesehene Metall (A) haben, schritt die Sinterung
nicht voran, und die Muster fielen ohne Erreichen der gewünschten
Form auseinander. Im Gegensatz dazu zeigen die Muster, die das Metall
(B) in der Legierung (C) haben, eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als das verwendete
Metall.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 8
-
Dieses
Beispiel wurde durchgeführt,
um die Wirkung des Verhältnisses
der Anzahl der Atome in dem Metall (B) um die Verwendung von Materialien
zu überprüfen, die ähnlich denen
sind, die in dem Beispiel 5 verwendet wurden. Die Diamantteilchen
hatten Durchmesser zwischen 200 und 300 μm. Das separat vorgesehene Metall
(A) war ein gereinigtes Silber oder Kupfer. Die Legierung (C) umfasst
das Metall (A) aus einem Ag-Cu-System und das Metall (B) aus Titan.
Das resultierende System ist ein vierfaches System aus Diamant-Ag-Cu-Ti.
Um die Wirkung des Metalls (B) zu beobachten, wurde die Anzahl der
Atome von Titan zu der des gesamten Kühlkörpers von 0 bis 8 atm % variiert,
während
die Menge der Diamantteilchen auf etwa 50 Vol.-% festgelegt war,
und zwei Werte des Volumenverhältnisses
von Silber wurden verwendet: 90% und 20 %.
-
Die
Diamantteilchen, Pulver der Legierung (C) und Pulver des Metalls
(A) wurden in einer Kugelmühle gemischt,
um bei einem Druck zwischen 1000 und 7000 kg/cm2 – hauptsächlich bei
2000 kg/cm2 geformt zu werden. Der geformte
Körper
wurde in einer Wasserstoffatmosphäre unter atmosphärischem
Druck gesintert. Das gesinterte Muster wurde auf die gewünschte Größe geschliffen.
Die gemessenen Resultate der Wärmeleitfähigkeit
an den Mustern sind in 5 gezeigt, in der die Daten
für mehr
als 4 atm % des Verhältnisses
der Anzahl der Atome des Metalls (B), in diesem Fall Titan, weggelassen
sind.
-
Dieses
Resultat zeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers die
von Silber übersteigt,
wenn das Verhältnis
der Anzahl der Atom von Titan zu der des gesamten Kühlkörpers zwischen
0,01 und 2,5 atm inklusive liegt. Ähnliche Daten werden erhalten,
wenn Zirkonium oder Hafnium als Metall (B) verwendet wird. Zusammenfassend
zeigen die obigen Resultate, dass die am meisten geeignete Menge
des Metalls (B) zwischen 0,01 und 2,5 atm % inklusive liegt.
-
Beispiel 9
-
Bei
der Auswahl des Metalls (A), das in die Legierung (C) einbezogen
werden soll, muss beachtet werden, dass einige Kandidaten sehr wirkungsvoll
sind, während
andere dies nicht sind. Besonders für das Ag-Cu-System ist es erwünscht, dass das Verhältnis so
gewählt
wird, dass jedes Metall als alleiniges Metall existieren kann, weil
eine Legierung aus Silber und Kupfer die Wärmeleitfähigkeit der Metallbestandteile
reduziert. Dieses Beispiels wurde durchgeführt, um die Wirkung der Zusammensetzung
des Metalls (A) zu klären. Das
Muster wurde durch das Infiltrationsverfahren, das in Beispiel 1
beschrieben ist, mit dem Ag-Cu-System als
Metall (A) und Titan als Metall (B) hergestellt. Diamantteilchen,
die Durchmesser von 200 bis 300 μm
und ein Volumen, das von 40 bis 65 % des gesamten Kühlkörpers variiert,
haben, wurden in einen Quarzbehälter eingebracht,
und eine Scheibe aus einer Ag-Cu-Ti-Legierung als Legierung (C)
wurde dort angeordnet. Das Muster wurde in einer Argongasatmosphäre bei 3
atm in einem Druckbehälter
aufgeheizt, um die Legierung (C) in die Zwischenräume zwischen
den Diamantteilchen zu infiltrieren. Nachdem es während 3
Minuten unter den Heizbedingungen gehalten und dann auf Zimmertemperatur
abgekühlt
wurde, wurde das Muster auf die gewünschte Größe des Kühlkörpers geschliffen. Als Zusammensetzungsveränderung
in der Legierung (C) bei der Herstellung der Muster wurde das Verhältnis zwischen
Silber und Kupfer variiert, und das Verhältnis der Anzahl der Atome,
von Titan zu dem des gesamten Kühlkörpers wurde
von 0,5 bis 1 atm % variiert.
-
Die
gemessenen Resultate der Wärmeleitfähigkeit
der Kühlkörper sind
als graphische Darstellung in 6 gezeigt. 6 ist
eine dreifache graphische Darstellung, wobei jede Spitze des Dreiecks
100 % Volumen des dort geschriebenen Materials zeigt. Die graphische
Darstellung zeigt die Veränderung
der Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers aufgrund
einer Veränderung
des Verhältnisses
zwischen Silber und Kupfer, wobei das Volumen der Diamantteilchen
von 40 bis 65 % variiert wurde. In dieser graphischen Darstellung zeigt
der große
Kreis, dass die Wärmeleitfähigkeit
mehr als 500 W/mK beträgt,
der kleine Kreis mehr als 400 W/mK und das Quadrat weniger als 300
W/mK. Es ist klar, dass die Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers durch
das Verhältnis
zwischen Silber und Kupfer beeinflusst wird. Insbesondere zeigt,
wenn der Wert Ag/(Ag + Cu) mehr als 0,6 ist oder der Wert Cu/(Ag
+ Cu) mehr als 0,8 ist, die Wärmeleitfähigkeit
einen höheren
Wert. Als Grund für diese
Tendenz wird gehalten, dass die Existenz eines alleinigen Metalls
statt einer Legierung die gesamte Wärmeleitfähigkeit aufrechterhält und verbessert,
weil die Wärmeleitfähigkeit
der Legierung aus Silber und Kupfer einen extrem niedrigen Wert
im Vergleich zu dem der Metallbestandteile selbst zeigt. Wenn das
Ag-Cu-System als das Metall (A) verwendet wird, ist daher die vorliegende
Erfindung am wirkungsvollsten verwirklicht, wenn das oben erwähnte Verhältnis angewendet
wird.
-
BEISPIEL 10
-
Dieses
Beispiel entspricht dem vierten Sinterverfahren. In 4 wurden
Pulver des separat vorgesehenen Metalls (A) durch Pulver des Metalls
(D) ersetzt. Diamantteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 300 μm wurden
verwendet, und das Volumenverhältnis
davon zu dem gesamten Kühlkörper waren
40 bis 50 %. Das Volumenverhältnis
des Metalls (A) in der Legierung (C) und das Verhältnis der
Anzahl der Atome des Metalls (B) sind in Tabelle 8 gezeigt. Entsprechend
dem in 3 gezeigten Verfahren wurden die Diamantteilchen
und Metallpulver gemischt und bei 2000 kg/cm2 verpresst.
Der geformte Körper
wurde in einer Wasserstoff-reduzierenden Atmosphäre unter Atmosphärendruck
bei einer Temperatur jenseits des Schmelzpunktes der Legierung (C)
in einem Sinterofen gesintert. Nach Abkühlung wurde der gesinterte
Körper
auf die gewünschte
Größe des Kühlkörpers geschliffen.
-
Die
Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper ist
in Tabelle 8 zusammen mit der der Metallteile alleine gezeigt. Die
Daten, die mit den Mustern 5-1 und 5-5 aus Beispiel 5 erhalten wurden,
die das Metall (A) statt dem Metall (D) enthalten, sind in Tabelle
8 als Referenz zitiert. Die Resultate zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit
der fertigen Kühlkörper viel
höher ist
als die der Metallbestandteile alleine. Es wurde beobachtet, dass
Pulver aus Wolfram oder Molybdän
in dem Kühlkörper entlang
den Diamantteilchen ohne die Bildung von Ansammlungen verteilt sind,
so dass die Wärme
prinzipiell durch die Silber- oder Kupfer-Bestandteile in der Legierung (C) ohne
Beeinflussung durch das zusätzliche
Metallpulver geleitet wird. Die primäre Funktion des Wolframs und
des Molybdäns
ist es, die thermische Stressbeanspruchung in dem Kühlkörper aufgrund
ihrer zwischen dem Diamant und dem Metall (A) liegenden Ausdehnung
zu absorbieren, wenn sie aufgeheizt werden.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 11
-
Dieses
Beispiel wurde durchgeführt,
um die Wirkung der Sintertemperatur zu prüfen. Diamantteilchen mit einem
mittleren Durchmesser von etwa 300 μm und einem Volumenverhältnis von
40 bis 50 % gegenüber dem
gesamten Kühlkörper, Pulver
der Legierung (C) und Pulver des separat vorgesehenen Metalls (A),
das in Tabelle 9 gezeigt ist, wurden gemischt, um durch Druck geformt
zu werden. Der geformte Körper
wurde in einer Sauerstoffatmosphäre
bei einer Temperatur, die in Tabelle 9 gezeigt ist, in einem Sinterofen
gesintert. Die Muster 9-3 und 9-6 haben keine Legierung (C), die
während
des Sinterverfahrens versetzt wird, ohne dass die gewünschte Formung
erreicht wird. Die verwendete Sintertemperatur war der Schmelzpunkt
des separat vorgesehenen Metalls (A), das bei einer höheren Temperatur
als die Legierung (C) schmilzt. Die Tabelle 9 zeigt, dass der fertige
Kühlkörper eine
viel höhere
Wärmeleitfähigkeit
hat als das verwendete Metall. Die Muster in der Tabelle 9 haben
dieselbe Zusammensetzung wie die in Tabelle 5 bei dem Beispiel 5,
beispielsweise entspricht das Muster 9-1 dem Muster 5-1. Es ist
klar, dass das Muster 9-1 eine erkennbare höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das Muster
5-1. Dieser Unterschied wird dem Un terschied in der Sintertemperatur
zugeschrieben, das Muster 9-1 wurde bei 980°C gesintert, während das
Muster 5-1 bei etwa 830°C
gesintert wurde. Die Betrachtung von Schnitten des fertigen Kühlkörpers dieses
Beispiels zeigt, dass das Muster keine unterschiedlichen Phasen
der beiden Metallbestandteile, der Legierung (C) und des Metalls
(A) hat, die in dem Muster, das durch das Beispiel 5 hergestellt
wurde, existieren. Es wird vermutet, dass diese gleichförmige Metallphase
der Grund ist, warum die Muster dieses Beispiels eine höhere Wärmeleitfähigkeit
haben als die in Beispiel 5.
-
-
- Beachte: "n" bedeutet die Anzahl
der Muster
-
BEISPIEL 12
-
Dieses
Beispiel wurde ausgeführt,
um die Wirkung des Durchmessers der Diamantteilchen auf die Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers zu
prüfen.
Zu diesem Zweck wurde der mittlere Durchmesser der Diamantteilchen
variiert, wobei die anderen Bedingungen gegenüber denen im Muster 5-1 in
Beispiel 5 unverändert
waren. Das Volumenverhältnis
der Diamantteilchen wurde auf 50 % des gesamten Kühlkörpers eingestellt.
Die gemessenen Resultate sind in einer graphischen Darstellung in 7 zusammengefasst, wo
die Abszisse im mittleren Durchmesser der Diamantteilchen und die
Ordinate die Wärmeleitfähigkeit
des fertigen Kühlkörpers darstellt.
Wie in der graphischen Darstellung zu ersehen ist, fällt die
Wärmeleitfähigkeit
mit abnehmendem Durchmesser ab. Es ist zu beachten, dass, wenn der
Durchmesser mehr als 60 μm
beträgt,
die Wärmeleitfähigkeit
niedriger wird als die des Metalls (A), Silber in diesem Fall. Der
Grund liegt darin, dass die Verminderung des Diamantdurchmessers
eine Erhöhung
des Prozentsatzes des Metallcarbids mit sich bringt, das in den
Wärmepfad
existiert. Das Metallcarbid (B'),
das auf der Oberfläche
der Diamantteilchen ausgebildet ist, hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit
und hat die Tendenz, die gesamte Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren trotz der
hohen Leitfähigkeit
des Diamant. In diesem Sinn ist es umso besser, je größer der
Durchmesser der Diamantteilchen ist. Wenn jedoch der Durchmesser
zu groß ist,
können
die Diamantteilchen keinen dünnen
Kühlkörper bilden,
und das Metall kann die thermischen Spannungen nicht absorbieren,
die durch den Unterschied in der Ausdehnung zwischen den Diamantteilchen
und dem Metall verursacht werden. Nichts Ernsthaftes findet statt,
wenn der Durchmesser weniger als 700 μm beträgt, und jenseits davon können Risse
zum Zeitpunkt der Verbindung mit einem Halbleitersubstrat auftreten.
Als Schlussfolgerung ist es erwünscht,
dass der Durchmesser der Diamantteilchen zwischen 60 und 700 μm inklusive
in der vorliegenden Erfindung liegt.
