DE69835914T2

DE69835914T2 - Verbundmaterial für Kühlkörper für Halbleiter und Herstellung

Info

Publication number: DE69835914T2
Application number: DE1998635914
Authority: DE
Inventors: Shuhei Handa-city Ishikawa; Tsutomu Chita-gun Mitsui
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2018-02-14
Also published as: EP0859410A2; US6479095B1; KR19980071256A; KR100304457B1; EP0859410A3; CN1201256A; DE69835914D1; CN1157784C; EP0859410B1; US6110577A; JPH1129379A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei das Verbundmaterial für Kühlkörper für Halbleitervorrichtungen verwendet wird, um einen Kühlkörper für eine Halbleitervorrichtung zu konstruieren, um von der Halbleitervorrichtung erzeugte Wärme wirksam abzugeben.
Beschreibung des Standes der Technik
Im Allgemeinen ist Wärme für die Halbleitervorrichtung ein gefährlicher Feind. Daher ist es notwendig, dass die Innentemperatur einer Halbleitervorrichtung eine maximal zulässige Temperatur nicht übersteigt, damit sie ihre Zusammenfügungs- oder Verbindungsstruktur beibehält. Halbleitervorrichtungen wie Leistungstransistoren und Gleichrichterelemente haben einen großen Verbrauch an elektrischer Leistung pro Einheit Betriebsfläche. Daher ist es unmöglich, eine ausreichende Menge der erzeugten Wärme nur auf dem Weg einer Wärmemenge abzugeben, die durch ein Gehäuse (eine Umhüllung) und Leitungsdrähte der Halbleitervorrichtung abgegeben wird. In Anbetracht dieser Umstände besteht die Gefahr, dass die Innentemperatur der Vorrichtung ansteigt und thermische Zerstörung verursacht wird.
Dieses Phänomen tritt in gleicher Weise auch bei Halbleitervorrichtungen auf, die eine CPU tragen. Das Ausmaß an Wärmeerzeugung während des Betriebs steigt proportional zur Verbesserung der Taktfrequenz. Als Ergebnis besteht ein wichtiger Faktor darin, die thermische Konstruktion unter Berücksichtung der Wärmeabgabe zu gestalten.
Bei der thermischen Konstruktion in Hinblick darauf, thermische Zerstörung und dergleichen zu verhindern, sind die Elemente und die Montage unter Einbeziehung eines Kühlkörpers mit einer großen Wärmeabgabefläche gestaltet, der sicher an einem Gehäuse (einer Umhüllung) der Halbleitervorrichtung befestigt ist.
Im Allgemeinen gehören zu den Materialien, die als Material für den Kühlkörper verwendet werden, Metallmaterialien wie Kupfer und Aluminium mit guter Wärmeleitfähigkeit.
In letzter Zeit wird bei Halbleitervorrichtungen wie CPUs und Speicher darauf abgezielt, die Vorrichtung mit geringer elektrischer Leistung zu betreiben, um den Verbrauch an elektrischer Leistung zu verringern, während bei der Halbleitervorrichtung selbst die Tendenz besteht, dass sie proportional zur hochverdichteten Elementintegration und Vergrößerung der Elementbildungsfläche eine große Größe aufweist. Wenn die Halbleitervorrichtung große Abmessungen hat, wird die Beanspruchung vergrößert, die durch die Differenz der Wärmeausdehnung zwischen dem Halbleitersubstrat (Siliziumsubstrat oder GaAs-Substrat) und dem Kühlkörper erzeugt wird. Als Ergebnis besteht die Wahrscheinlichkeit, dass das Ablöse-Phänomen und die mechanische Zerstörung der Halbleitervorrichtung verursacht werden.
Denkbare Gegenmaßnahmen, um derartige Nachteile zu vermeiden, bestehen darin, die Halbleitervorrichtung bei niedriger elektrischer Leistung zu betreiben und das Material für Kühlkörper zu verbessern. Zurzeit wird in Hinblick auf den Betrieb der Halbleitervorrichtung bei niedriger elektrischer Leistung in der Praxis eine Vorrichtung verwendet, die mit einer Quellenspannung in der Höhe von nicht mehr als 3,3 V arbeitet, was jenseits der bisher verwendeten liegt, die auf TTL-Höhe (5 V) betrieben werden.
Andererseits reicht es in Hinblick auf das Material, aus dem der Kühlkörper besteht, nicht aus, nur die Wärmeleitfähigkeit zu berücksichtigen. Daneben ist es notwendig, ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit auszuwählen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in etwa mit jenen von Silizium und GaAs zusammenfällt, die für das Halbleitersubstrat zu verwenden sind.
In Zusammenhang mit der Verbesserung beim Material für den Kühlkörper sind verschiedene Berichte vorgelegt worden. Beispielsweise gibt es einen Fall, der auf der Verwendung von Aluminiumnitrid (AlN) basiert, sowie einen Fall, der auf der Verwendung von Cu (Kupfer) – W (Wolfram) basiert. Bei AlN besteht ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnung, und insbesondere weist es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der in etwa mit jenem von Si übereinstimmt. Daher wird AlN als Material für Kühlkörper für Halbleitervorrichtungen bevorzugt, die auf der Verwendung eines Siliziumsubstrats als Halbleitersubstrat basieren.
Andererseits ist Cu-W ein Verbundmaterial, das sowohl die geringe Wärmeausdehnung von W als auch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Cu aufweist, und es lässt sich durch maschinelle Bearbeitung leicht bearbeiten. Daher wird Cu-W als Material zum Bau von Kühlkörpern mit komplizierten Gestalten bevorzugt.
Es gibt auch andere Vorschläge, darunter beispielsweise ein Material, das erhalten wird, indem metallisches Cu in einem Anteil von 20 bis 40 Vol.-% in einem Keramikbasismaterial aufgenommen wird, das als Hauptkomponente SiC enthält (Beispiel 1 nach dem Stand der Technik: siehe die offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 8-279569), sowie ein Material, das erhalten wird, indem ein pulveriger poröser Sinterkörper, der anorganische Substanzen umfasst, mit Cu in einer Menge von 5 bis 30 Gew.-% imprägniert wird (Beispiel 2 nach dem Stand der Technik: siehe offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 59-228742).
Das Material für Kühlkörper gemäß dem Beispiel 1 nach dem Stand der Technik basiert auf Pulverformung, worin ein ungesinterter Pressling, der SiC und metallisches Cu umfasst, geformt wird, um einen Kühlkörper herzustellen. Daher sind der Wärmeausdehnungskoeffizient und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient beständig durch theoretische Werte dargestellt. In diesem Fall besteht das Problem, dass es unmöglich ist, das Gleichgewicht zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zu erzielen, das für tatsächliche Elektronikteile oder dergleichen erforderlich ist.
Bei Beispiel 2 nach dem Stand der Technik ist der Anteil an Cu, mit dem der anorganische Substanzen umfassende pulverige poröse Sinterkörper imprägniert ist, gering. Daher ist zu befürchten, dass eine Grenze erreicht wird, wenn beabsichtigt wird, die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen.
Das Dokument DE-A-4.100.145 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einem Kühlkörper aus einem Verbundmaterial, Folgendes umfassend: einen porösen Sinterpressling, der mit einem Metall imprägniert ist, das aus einer Kupferlegierung besteht, wobei der poröse Sinterpressling durch Vorkalzinieren eines porösen Körpers mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten erhalten wird, der niedriger als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer ist, so dass eine Netzwerkstruktur gebildet wird, worin das Verhältnis zwischen der Kupferlegierung und dem Verbundmaterial etwa 50 % beträgt und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten des porösen Sinterpresslings bestimmt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtung derartiger Probleme gemacht worden und ein Ziel derselben besteht darin, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die einen Kühlkörper aus Verbundmaterial aufweist, was es möglich macht, Eigenschaften zu erzielen, die an das für tatsächliche Elektronikteile oder dergleichen verlangte Gleichgewicht zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeleitkoeffizienten angepasst sind.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die einen Kühlkörper aus Verbundmaterial aufweist, wobei es das Verfahren ermöglicht, problemlos eine Behandlung durchzuführen, um einen porösen Sinterpressling mit einem Metall zu imprägnieren, obwohl eine derartige Behandlung im Allgemeinen als schwierig erachtet wird, wodurch es ermöglicht wird, die Rate zu verbessern, mit der der poröse Sinterpressling mit dem Metall imprägniert wird, und wodurch es ermöglicht wird, die Produktivität eines Kühlkörpers zu verbessern, der Eigenschaften aufweist, die an das für tatsächliche Elektronikteile oder dergleichen erforderliche Gleichgewicht zwischen dem Wärme ausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten angepasst sind.
Zunächst erfolgt eine Erklärung der optimalen Eigenschaften des Materials für Kühlkörper. Der erforderliche Wärmeausdehnungskoeffizient liegt vorzugsweise in einem Bereich von 4,0 × 10^–6/°C bis 9,0 × 10^–6/°C als mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient von Raumtemperatur bis 200 °C, da es notwendig ist, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramiksubstrats, wie jene, die aus AlN bestehen, und des Halbleitersubstrats, wie jene, die aus Si und GaAs bestehen, zu entsprechen. Der erforderliche Wärmeleitfähigkeitskoeffizient liegt vorzugsweise nicht unter 180 W/mK (Raumtemperatur), da es notwendig ist, Anforderungen zu erfüllen, die gleich hoch sind wie jene, die vom zurzeit verwendeten Cu-W-Material erfüllt werden, oder darüber liegen.
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Gemäß vorliegender Erfindung ist es möglich, die Ausdehnung auf einen Wert zu senken, der niedriger als die Wärmeausdehnung (theoretischer Wert) ist, die durch das Verhältnis zwischen dem porösen Sinterpressling und dem Kupfer oder der Kupferlegierung bestimmt wird, mit dem der poröse Sinterpressling imprägniert ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient fällt in etwa beispielsweise mit jenen des Keramiksubstrats und des Halbleitersubstrats (Silizium, GaAs) zusammen. Daher ist es möglich, ein Material für Kühlkörper mit guter Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.
Genauer gesagt ist es möglich, ein Material für Kühlkörper zu erhalten, bei dem der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von Raumtemperatur bis 200 °C von 4,0 × 10^–6/°C bis 9,0 × 10^–6/°C liegt und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (bei Raumtemperatur) nicht unter 180 W/mK liegt.
Es ist wünschenswert, dass der poröse Sinterpressling zumindest eine oder mehrere aus der aus SiC, AlN, Si₃N₄, B₄C und BeO bestehenden Gruppe ausgewählte Ver bindungen umfasst. Der Anteil (Imprägnationsrate) des Kupfers oder der Kupferlegierung beträgt 20 Vol.-% bis 70 Vol.-%. Wenn die Kupfer-Imprägnationsrate unter 20 Vol.-% liegt, ist es unmöglich, den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von 180 W/mK (Raumtemperatur) zu erhalten, während, wenn die Imprägnationsrate 70 Vol.-übersteigt, die Festigkeit des porösen Sinterpresslings (insbesondere SiC) verringert wird und es unmöglich ist, den Wärmeausdehnungskoeffizienten auf weniger als 9,0 × 10^–6/°C zu senken.
Der Wert des mittleren offenen Porendurchmessers des porösen Sinterpresslings beträgt 0,5 bis 50 μm. Wenn der Wert des mittleren offenen Porendurchmessers unter 0,5 μm liegt, ist es schwierig, die offenen Poren mit dem Metall zu imprägnieren, und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient wird gesenkt. Wenn der Wert des mittleren offenen Porendurchmessers andererseits 50 μm übersteigt, wird die Festigkeit des porösen Sinterpresslings verringert, und es ist unmöglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten auf einen niedrigen Wert zu senken.
Es ist vorzuziehen, dass die Verteilung (Porenverteilung) in Bezug auf die mittlere offene Pore des porösen Sinterpressings zu nicht weniger als 90 % in einem Bereich von 0,5 bis 50 μm verteilt ist. Wenn die Poren im Bereich von 0,5 bis 50 μm nicht zu nicht weniger als 90 % verteilt sind, nehmen die offenen Poren zu, die nicht mit Kupfer imprägniert sind. Als Folge wird der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient verringert oder die Festigkeit verringert, und es ist unmöglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten auf einen niedrigen Wert zu senken.
Es ist wünschenswert, dass die Biegefestigkeit des porösen Sinterpresslings nicht unter 10 MPa liegt. Wenn die Festigkeit unter diesem Wert liegt, ist es unmöglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten auf einen niedrigen Wert zu senken, und es ist unmöglich, das Verbundmaterial zu erhalten, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im vorbestimmten Bereich liegt.
Im Allgemeinen wird, wenn als das Kupfer im Handel erhältliches reines Kupfer verwendet wird, ein gutes Verbundmaterial mit einem hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffi zienten erhalten. Das erhaltene Verbundmaterial weist jedoch keine hervorragende Benetzbarkeit in Bezug auf den porösen Sinterpressling (insbesondere SiC) auf, und die offenen Poren, die nicht mit Kupfer imprägniert werden, bleiben tendenziell bestehen. Daher ist es wünschenswert, die Imprägnationsrate zu verbessern, indem beispielsweise Be, Al, Si, Mg, Ti und Ni zugegeben werden. Wenn das Additiv jedoch in einer Menge von nicht weniger als 1 % zugegeben wird, verringert sich der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient stark, und es ist unmöglich, die Wirkung zu erzielen, die andernfalls durch die Zugabe erzielt würde.
Es ist wünschenswert, dass eine Reaktionsschicht, die an einer Grenzfläche zwischen dem porösen Sinterpressling und dem Kupfer (Kupfer allein oder eines, das Kupfer und Be, Al, Si, Mg, Ti, Ni oder dergleichen in einem Bereich von bis zu 1 % enthält) ausgebildet ist, nicht mehr als 5 μm hat. Mehr bevorzugt hat die Reaktionsschicht nicht mehr als 1 μm. Wenn die Reaktionsschicht dicker als 5 μm ist, wird die Wärmeübertragung zwischen dem porösen Sinterpressling und dem Kupfer beeinträchtigt, und die Wärmeleitung des Verbundmaterials für Kühlkörper für Halbleitervorrichtungen wird verringert.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereit, wie in Anspruch 9 dargelegt.
Beispielsweise werden der poröse Sinterpressling, der als Basismaterial dienen soll, und das Kupfer oder die Kupferlegierung, das bzw. die verwendet wird, um ihn zu imprägnieren, erwärmt, ohne sie miteinander in Kontakt zu bringen. In dem Zustand, in dem sie beide eine Temperatur nicht unter dem Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung erreichen, werden sie miteinander in Kontakt treten gelassen, um sofort den hohen Druck auszuüben, so dass der poröse Sinterpressling mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägniert wird, gefolgt von raschem Abkühlen.
Entsprechend kann die Behandlung zum Imprägnieren des porösen Sinterpresslings mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung, die im Allgemeinen als schwierig erachtet wird, ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Rate, mit der der poröse Sinterpressling mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägniert wird, zu verbessern. Als Ergebnis ist es möglich, die Produktivität des Kühlkörpers zu verbessern, dessen Eigenschaften an das Gleichgewicht zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten angepasst sind, das für tatsächliche Elektronikteile oder dergleichen (einschließlich Halbleitervorrichtungen) erforderlich ist.
Die Eigenschaften, die an das Gleichgewicht zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten angepasst sind, das für tatsächliche Elektronikteile oder dergleichen (einschließlich Halbleitervorrichtungen) erforderlich ist, stellen sich so dar, dass der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient von Raumtemperatur bis 200 °C 4,0 × 10^–6/°C bis 9,0 × 10^–6/°C beträgt und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (bei Raumtemperatur) nicht unter 180 W/mK liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Imprägnierungsschritt die Schritte des Platzierens des porösen Sinterpresslings und des Metalls in einem identen Gefäß, des Anordnens des Metalls in einem tiefer liegenden Abschnitt, und des anschließenden Ermöglichens, dass das Gefäß im Inneren in einem Unterdruckzustand oder in einem Normal-Druckzustand ist; des Erhitzens und Schmelzens des Metalls, um das Metall zu geschmolzenem Metall überzuführen; des Umkehrens des Gefäßes, wenn das geschmolzene Metall sich in einem Zustand befindet, in dem eine vorbestimmte Temperatur erreicht wird, um den porösen Sinterpressling im geschmolzenen Metall im Gefäß einzutauchen; und des Imprägnierens des porösen Sinterpresslings mit dem geschmolzenen Metall durch Einführen eines Imprägniergases in das Gefäß, um im Gefäß einen Druck anzulegen, umfassen.
Das heißt, der poröse Sinterpressling und das Kupfer oder die Kupferlegierung zur Verwendung zum Imprägnieren werden im Gefäß platziert, und das Gefäß wird dicht abgeschlossen, um Vakuumansaugung vorzunehmen, gefolgt von Erwärmung, während sich das Kupfer oder die Kupferlegierung im unteren Abschnitt des Gefäßes befinden. Das Gefäß wird um 180° gedreht, so dass es umgedreht wird, und in diesem Zustand wird das Kupfer oder die Kupferlegierung geschmolzen, um die vorbestimm te Temperatur zu erreichen. Dem gemäß wird das Kupfer oder die Kupferlegierung mit dem porösen Sinterpressling in Kontakt treten gelassen. An das Gefäß wird ein hoher Druck angelegt, so dass der poröse Sinterpressling mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägniert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfassen: das Platzieren des zuvor geschmolzenen Metalls und des porösen Sinterpresslings in ein identes Gefäß, das Anordnen des Metalls in einem tiefer liegenden Abschnitt des Gefäßes und das anschließende Ermöglichen, dass das Gefäß im Inneren in einem Unterdruckzustand oder in einem Normal-Druckzustand ist; das Umkehren des Gefäßes, wenn sich das geschmolzene Metall in einem Zustand befindet, in dem eine vorbestimmte Temperatur erreicht wird, um den porösen Sinterpressling und das geschmolzene Metall im Gefäß einzutauchen; und das Imprägnieren des porösen Sinterpresslings mit dem geschmolzenen Metall durch Einführen eines Imprägniergases in das Gefäß, um im Gefäß einen Druck anzulegen.
Das heißt, das zuvor geschmolzene Kupfer oder die Kupferlegierung wird in das Gefäß platziert, in dem der poröse Sinterpressling angebracht ist, und das Gefäß wird dann um 180° gedreht, so dass es sich in dem Stadium, in dem der Inhalt des Gefäßes die vorbestimmte Temperatur erreicht, in umgekehrter Position befindet. Dem gemäß wird es ermöglicht, dass das Kupfer oder die Kupferlegierung mit dem porösen Sinterpressling in Kontakt tritt. Im Gefäß wird ein hoher Druck angelegt, so dass der poröse Sinterpressling mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägniert wird.
Der angelegte Druck liegt nicht unter 10 kp/cm² und nicht über 1.000 kp/cm², vorzugsweise nicht unter 50 kp/cm² und nicht über 200 kp/cm², und mehr bevorzugt nicht unter 100 kp/cm² und nicht über 150 kp/cm².
Bei dieser Ausführungsform wird der Druck für einen Zeitraum von nicht weniger als 1 min und nicht mehr als 30 min und wünschenswert nicht weniger als 2 min und nicht mehr als 10 min angelegt.
Die vorbestimmte Temperatur ist eine Temperatur, die um etwa 30 bis 250 °C über dem Schmelzpunkt des bzw. der zum Imprägnieren verwendeten Kupfers oder Kupferlegierung liegt, und vorzugsweise ist die vorbestimmte Temperatur eine Temperatur, die um 50 bis 200 °C über dem Schmelzpunkt liegt. Bei dieser Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass das Kupfer oder die Kupferlegierung, dem bzw. mit der der poröse Sinterpressling zu imprägnieren ist, in einem Vakuum von nicht mehr als 1 × 10^–3 Torr erhitzt wird.
Es ist wünschenswert, dass der poröse Sinterpressling Poren umfasst, die zu nicht weniger als 90 % einen mittleren Durchmesser von 0,5 μm bis 50 μm aufweisen, wobei eine Porosität von 20 Vol.-% bis 70 Vol.-% vorliegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der poröse Sinterpressling zuvor mit Ni in einer Menge von 1 bis 10 Vol.-% plattiert. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Benetzbarkeit zwischen dem porösen Sinterpressling und dem Kupfer oder der Kupferlegierung verbessert, und es ist möglich, Imprägnierung bei einem niedrigen Druck zu erreichen. Die Menge der Ni-Plattierung beträgt wünschenswert 3 bis 5 Vol.-%. Die Ni-Plattierung, auf die hierin Bezug genommen wird, umfasst beispielsweise Ni-P-Plattierung und Ni-B-Plattierung.
Es wird ebenfalls vorgezogen, dass der poröse Sinterpressling zuvor mit 1 bis 10 Vol.-% Si imprägniert wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Benetzbarkeit zwischen dem porösen Sinterpressling und dem Kupfer oder der Kupferlegierung auf die gleiche Weise verbessert wie im Fall der Anwendung von Ni-Plattierung, wie oben beschrieben, und es ist möglich, Imprägnierung bei einem niedrigen Druck zu erreichen. Die Menge der Si-Imprägnierung beträgt wünschenswert 3 bis 5 Vol.-%.
In Bezug auf die zuvor auf den porösen Sinterkörper angewandte Ni-Plattierung im Ausmaß von 1 bis 10 Vol.-% oder die vorherige Imprägnierung mit Si im Ausmaß von 1 bis 10 Vol.-% ist es auch vorzuziehen, dass der poröse Sinterpressling zuvor mit Palladium plattiert wird. Gemäß dieser Ausführungsform ist es zusätzlich zur Palladiumplattierung auch möglich, gemeinsam mit Ni und Si eine Verbundplattierung anzuwenden.
Gemäß wieder einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Abkühlungsschritt die Schritte des Umkehrens des Gefäßes, um den porösen Sinterpressling nach erfolgter Imprägnierung vom restlichen geschmolzenen Metall zu trennen, das nicht zur Imprägnierung verwendet wurde; und des Entlüftens des Imprägniergases aus dem Gefäß, um rasch ein Kühlgas einzuführen, so dass das Innere des Gefäßes abgekühlt wird, umfassen. Alternativ dazu kann der Kühlungsschritt die Schritte des Umkehrens des Gefäßes, um den porösen Sinterpressling nach dem Imprägnieren vom restlichen geschmolzenen Metall zu trennen, das nicht zur Imprägnierung verwendet wurde; und des Kontaktierenlassens des Gefäßes mit einem Kühlblock, so dass das Innere des Gefäßes abgekühlt wird, umfassen.
Der Kühlungsschritt wird vorzugsweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von nicht weniger als –400 °C/h, ausgehend von der während des Imprägnierens herrschenden Temperatur bis 800 °C, und mehr bevorzugt nicht weniger als –800 °C/h, durchgeführt.
Der angelegte Druck ist ein solcher, wie notwendig ist, um die offenen Poren des porösen Sinterpresslings vollständig mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung zu imprägnieren. Bei diesem Verfahren wird, wenn offene Poren, die nicht mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägniert sind, im porösen Sinterpressling verbleiben, die Wärmeleitfähigkeit deutlich beeinträchtigt. Daher ist es notwendig, einen hohen Druck anzulegen.
Der Druck kann entsprechend der Washburn-Gleichung annähernd geschätzt werden. Je kleiner jedoch der Porendurchmesser ist, desto größer ist die erforderliche Kraft. Beispielsweise ist der erforderliche Druck im Fall von 0,1 μm Durchmesser 400 kp/cm², im Fall von 1,0 μm Durchmesser 40 kp/cm² und im Fall von 10 μm Durchmesser 4 kp/cm².
Zwischen dem porösen Sinterpressling und dem Kupfer oder der Kupferlegierung im geschmolzenen Zustand findet eine Reaktion statt. Wenn als der poröse Sinterpressling beispielsweise SiC verwendet wird, wird SiC zu Si und C abgebaut, und die ursprüngliche Funktion wird nicht erfüllt. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Zeitspanne zu verkürzen, für die sich das SiC direkt mit Cu im geschmolzenen Zustand in Kontakt befindet. Entsprechend dem Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung (dem Herstellungsverfahren, wie in Anspruch 14, 15 oder 20 definiert) ist es möglich, die Kontaktzeit zwischen SiC und Cu zu verkürzen. Dem gemäß ist es möglich, die Abbaureaktion von SiC wie zuvor beschrieben zu vermeiden.
Die Benetzbarkeit zwischen SiC und dem Kupfer oder der Kupferlegierung ist schlecht. Daher ist es notwendig, den hohen Druck auszuüben, um die Imprägnierung mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung ausreichend durchzuführen. Nach dem Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung (dem Herstellungsverfahren, wie in Anspruch 20 oder 21 definiert), wird die Qualität der Porenoberfläche von SiC so modifiziert, dass gute Benetzbarkeit zwischen SiC und Cu entsteht. Dem gemäß ist es möglich, feinere Poren bei niedrigerem Druck mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung zu imprägnieren.
Gemäß wieder einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfassen: das Versetzen des porösen Sinterpresslings und des Metalls in einen Unterdruckzustand oder in einen Normal-Druckzustand, ohne diese miteinander in Kontakt zu bringen; das Erhitzen des porösen Sinterpresslings und des Metalls auf die vorbestimmte Temperatur bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck, um das Metall zu schmelzen; das Ermöglichen, dass das geschmolzene Metall in einem druckbeaufschlagten Zustand ist; und das rasche Kontaktierenlassen des geschmolzenen Metalls bei angelegtem Druck mit dem porösen Sinterpressling bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck und Er möglichen, dass diese in einem druckbeaufschlagtem Zustand sind, sodass der poröse Sinterpressling mit dem geschmolzenen Metall bei angelegtem Druck imprägniert wird; und es kann der Abkühlungsschritt den Schritt des Abkühlens des porösen Sinterpresslings, der mit dem geschmolzenen Metall bei angelegtem Druck imprägniert ist, umfassen.
Gemäß dieser Ausführungsform werden der poröse Sinterpressling und das Metall erhitzt, während ausreichendes Entlüften vorgenommen wird, um das Metall zu schmelzen, gefolgt von raschem Kontaktieren und Versetzen in den Zustand, in dem Druck angelegt wird. Weiters wird der Zustand, in dem Druck angelegt ist, bis zum Abschluss des Kühlungsvorgangs beibehalten. So ist es möglich, den porösen Sinterpressling effizient mit dem geschmolzenen Metall zu imprägnieren.
Beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren ist es vorzuziehen, dass sowohl der poröse Sinterpressling als auch das geschmolzene Metall, die bei Unterdruck oder bei normalem Druck erhitzt und behandelt werden, ohne miteinander in Kontakt zu stehen, in den druckbeaufschlagten Zustand versetzt werden, und dann rasch miteinander in Kontakt treten gelassen werden, so dass der poröse Sinterpressling mit dem Metall imprägniert wird.
Dem gemäß wird ermöglicht, dass sich der poröse Sinterpressling gemeinsam mit dem geschmolzenen Metall in dem druckbeaufschlagten Zustand befindet, gefolgt von der Durchführung des Kontaktierungs- und des Imprägnierungsvorgangs. So ist es möglich, den Druckabfall zu minimieren, der beim Kontakt der beiden verursacht würde, und es ist möglich, den druckbeaufschlagten Zustand während des Imprägnierungsvorgangs gut beizubehalten.
Gemäß wieder einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Imprägnierungsschritt die folgenden Schritte umfassen: das Anordnen des porösen Sinterpresslings und des Metalls in eine obere bzw. untere Kammer eines identen Gefäßes, das mittels porösem Filter in zwei Kammern geteilt ist, und das dichte Verschließen des Gefäßes, sodass sich die jeweiligen Kammern in einem Unterdruck zustand oder in einem Normal-Druckzustand befinden; das Erhitzen sowohl der oberen als auch der unteren Kammer bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck auf eine vorbestimmte Temperatur, sodass das Metall geschmolzen wird; das Ermöglichen, dass sich nur die obere Kammer in einem druckbeaufschlagten Zustand befindet; und das Durchdringenlassen des geschmolzenen Metalls in der oberen Kammer bei angelegtem Druck durch den porösen Filter in die untere Kammer, so dass das geschmolzene Metall bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck rasch mit dem porösen Sinterpressling in Kontakt tritt, gefolgt vom Ermöglichen, dass sich die untere Kammer in einem druckbeaufschlagten Zustand befindet, sodass der poröse Sinterpressling bei dem angelegten Druck mit dem geschmolzenen Metall imprägniert wird; und es kann der Abkühlungsschritt den Schritt des Abkühlens des porösen Sinterpresslings, der mit dem geschmolzenen Metall in der unteren Kammer in dem druckbeaufschlagten Zustand imprägniert ist, umfassen.
Gemäß dieser Ausführungsform können die obere Kammer, in der das Metall angeordnet ist, und die untere Kammer, in der der poröse Sinterpressling angeordnet ist, unter Verwendung des porösen Filters unabhängig voneinander Druckregulierung unterzogen werden. Dem gemäß ist es möglich, den Druck unter Einsatz eines vorbestimmten Druckregulierungsmechanismus rasch zu verringern oder anzulegen.
Der poröse Sinterpressling in der unteren Kammer kann unmittelbar vor dem Imprägnieren mit dem geschmolzenen Metall entlüftet werden, während er sich im Unterdruckzustand oder im Normal-Druckzustand befindet. Weiters können der Kontaktierungs- und der Imprägnierungsvorgang für das geschmolzene Metall und den porösen Sinterpressling leicht gemäß der mithilfe des porösen Filters durchgeführten Druckregulierung durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren kann das geschmolzene Metall aufgrund der Druckdifferenz, die im Voraus zwischen den beiden Kammern hergestellt wird, leicht mit dem Filter behandelt werden.
Das Material für den porösen Filter unterliegt keiner speziellen Einschränkung, mit der Maßgabe, dass das Material in einem solchen Ausmaß eine Porositätseigenschaft besitzt, dass das geschmolzene Metall bei Normaldruck nicht durchdringt und das geschmolzene Metall bei angelegtem Druck durchdringt. Zu den bevorzugt als Material einzusetzenden gehören beispielsweise Kohlenstoffware, Stanzmetall aus Edelstahl und Aluminiumoxidware.
Gemäß wieder einer anderen Ausführungsform kann der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfassen: das Anordnen des porösen Sinterpresslings und des Metalls jeweils in eine obere und untere Kammer eines identen Gefäßes, das mittels einem porösen Filter in zwei Kammern geteilt ist, und das dichte Verschließen des Gefäßes, so dass sich die jeweiligen Kammern in einem Unterdruckzustand oder in einem Normal-Druckzustand befinden; das Erhitzen sowohl der oberen als auch der unteren Kammer bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck auf eine vorbestimmte Temperatur, so dass das Metall geschmolzen wird; das Ermöglichen, dass sich sowohl die obere als auch die untere Kammer in einem druckbeaufschlagten Zustand befindet; und das Anheben des Drucks der unter Druck befindlichen oberen Kammer auf einen höheren Druck als jenen der unteren Kammer und Durchdringenlassen geschmolzenen Metalls durch den porösen Filter in die untere Kammer, so dass das geschmolzene Metall mit dem porösen Sinterpressling rasch in Kontakt tritt, wonach der poröse Sinterpressling bei dem angelegten Druck mit dem geschmolzenen Metall imprägniert wird; und kann der Abkühlungsschritt den Schritt des Abkühlens des porösen Sinterpresslings, der mit dem geschmolzenen Metall in der unteren Kammer bei dem angelegten Druck imprägniert ist, umfassen.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der poröse Sinterpressling gemeinsam mit dem geschmolzenen Metall in druckbeaufschlagtem Zustand belassen, gefolgt von der Durchführung des Kontaktierungs- und des Imprägnierungsvorgangs. So ist es möglich, den Druckabfall zu minimieren, der beim Kontakt der beiden verursacht würde, und es ist möglich, den druckbeaufschlagten Zustand während des Imprägnierungsvorgangs gut beizubehalten.
Gemäß vorliegender Erfindung kann, wenn der als Basismetall bestimmte poröse Sinterpressling mit dem Metall behandelt und imprägniert wird, das zumindest Kupfer enthält, der Schritt des Bereitstellens des druckbeaufschlagten Zustandes durch eine Druckbehandlung durchgeführt werden, die sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung vorgenommen wird, und der Abkühlungsschritt kann durch eine indirekte Abkühlungsbehandlung durchgeführt werden, die in der Nähe der unteren Kammer durchgeführt wird.
Nach dem Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung ist es möglich, die Druckregulierung rascher durchzuführen, und es ist möglich, den druckbeaufschlagten Zustand während des Imprägnierungsvorgangs gut beizubehalten.
Gemäß wieder einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereit, wie in Anspruch 27 dargelegt.
Dem gemäß kann die Behandlung zur Imprägnierung des porösen Sinterpresslings mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung, die im Allgemeinen als schwierig erachtet wird, auf einfache Weise durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der der poröse Sinterpressling mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägniert wird. Als Ergebnis ist es möglich, die Produktivität des Kühlkörpers zu verbessern, der Eigenschaften aufweist, die an das Gleichgewicht zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten angepasst sind, das für tatsächliche Elektronikteile oder dergleichen (einschließlich Halbleitervorrichtungen) erforderlich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfassen: das Versetzen des porösen Sinterpresslings und des Metalls in einen Unterdruckzustand oder in einen Normal-Druckzustand bei gleichzeitigem miteinander Kontaktieren; das Erhitzen des porösen Sinterpresslings und des Metalls auf eine vorbestimmte Temperatur bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck, um das Metall zu schmelzen; das Ermöglichen, dass sich das geschmolzene Metall in einem druckbeaufschlagten Zustand befindet; und das rasche Kontaktierenlassen des geschmolzenen Metalls bei angelegtem Druck mit dem porösen Sinterpressling bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck, und Ermöglichen, dass sich diese in einem druckbeaufschlagten Zustand befinden, so dass der poröse Sinterpressling mit dem geschmolzenen Metall bei dem angelegten Druck imprägniert wird; und es kann der Abkühlungsschritt den Schritt des Abkühlens des mit dem geschmolzenen Metall imprägnierten porösen Sinterpresslings bei dem angelegten Druck umfassen.
Wie oben beschrieben ist es nach dem Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung möglich, die Ausdehnung auf einen Wert zu senken, der unter dem Ausmaß der Wärmeausdehnung (theoretischer Wert) liegt, das durch das Verhältnis zwischen dem porösen Sinterpressling und dem Kupfer oder der Kupferlegierung bestimmt ist, mit dem bzw. der der poröse Sinterpressling imprägniert ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient fällt in etwa mit jenen zusammen, die beispielsweise das Keramiksubstrat und das Halbleitersubstrat (Silizium, GaAs) aufweisen. So ist es möglich, das Material für Kühlkörper mit guter Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klarer werden, in denen als veranschaulichendes Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Beispiel für die Verwendung eines Kühlkörpers, der unter Verwendung eines Verbundmaterials konstruiert ist, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die das Konzept der Struktur eines Verbundmaterials veranschaulicht, das gemäß einer Ausführungsform hergestellt ist.
3 zeigt eine Tabelle, die die Differenz im Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und im Wärmeausdehnungskoeffizienten veranschaulicht, die durch entsprechende Änderung der Porosität, des Porendurchmessers und der Porenverteilung von SiC erhalten wird.
4 zeigt Kennlinien, die die Wärmeleitfähigkeits-Wärmeausdehnungskoeffizient-Charakteristik verschiedener Verbundmaterialien veranschaulichen.
5A zeigt teilweise aufgeschnitten eine Vorderfläche eines Hochdruckgefäßes.
5B zeigt teilweise aufgeschnitten eine Seitenfläche des Hochdruckgefäßes.
6 zeigt ein Blockdiagramm, das die Schritte eines Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
7 zeigt eine Tabelle, die die Differenz in der Reaktionssituation von Sic/Cu und der Imprägnierungssituation von Cu veranschaulicht, die durch entsprechende Änderung der Porosität von SiC, des Porendurchmessers, des Vorliegens oder Fehlens von Ni-Plattierung, des Vorliegens oder Fehlens von Si-Imprägnierung, der Imprägnierungstemperatur, des angelegten Drucks, der Druckanlegungszeit und der Abkühlungsrate erzielt wird.
8 zeigt ein Blockdiagramm, das den Imprägnierungsschritt gemäß einer ersten modifizierten Ausführungsform veranschaulicht.
9 zeigt ein Blockdiagramm, das den Imprägnierungsschritt gemäß einer zweiten modifizierten Ausführungsform veranschaulicht.
10 zeigt die schematische Konstruktion eines Heißpressofens, der für ein Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform eingesetzt wird.
11 zeigt ein Blockdiagramm, das die Schritte eines Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
12A zeigt eine Draufsicht, die ein Gehäuseelement vom geteilten Typ veranschaulicht.
12B zeigt eine Querschnittansicht entlang einer in 12A gezeigten Linie A-A.
13 zeigt die schematische Konstruktion einer weiteren Ausführungsform des für das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform verwendeten Heißpressofens.
14 zeigt einen für eine modifizierte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform verwendeten Heißpressofen.
15 zeigt ein Blockdiagramm, das die Schritte einer modifizierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
16 zeigt die Konstruktion eines für ein Herstellungsverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform verwendeten Heißpressofens.
17 zeigt ein Blockdiagramm, das die Schritte des Herstellungsverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 17 veranschaulichende Ausführungsformen des Verbundmaterials für Kühlköper für Halbleitervorrichtungen und des Verfahrens zur Herstellung derselben gemäß vorliegender Erfindung (in der Folge einfach als „Verbundmaterial gemäß der Ausführungsform" und „Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform" bezeichnet) erklärt.
Zunächst wird, wie in 1 gezeigt, der Kühlköper 10, der aus dem Verbundmaterial gemäß der Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung konstruiert ist, in eine Öffnung 16 eingebettet, die in einer Deckfläche eines Gehäuses 14 einer Halbleitervorrichtung 12 ausgebildet ist. Der Kühlkörper 10 wird so angebracht, dass seine Oberfläche eine Kühlrippe 18 berührt, die an einem oberen Abschnitt der Halbleitervorrichtung 12 befestigt ist.
Dem gemäß wird die Wärme, die vom Halbleiterelement (Chip) abgegeben wird, das in der Halbleitervorrichtung 1 montiert ist, durch den Kühlkörper 10 effizient auf die Kühlrippe 18 übertragen.
Das Verbundmaterial gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird konstruiert, indem ein poröser Sinterpressling, der durch Vorkalzinieren eines porösen Körpers mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der unter dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer liegt, mit Kupfer oder Kupferlegierung imprägniert wird, so dass sich eine Netzwerkstruktur ausbildet. Spezifisch wird, wie beispielsweise in 2 gezeigt, das Verbundmaterial so konstruiert, dass offene Poren (offenporige Abschnitte) eines aus SiC bestehenden porösen Sinterpresslings 20 mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 imprägniert werden. In der folgenden Beschreibung wird der aus SiC bestehende poröse Sinterpressling einfach als „SiC" bezeichnet.
Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion ist es möglich, die Ausdehnung auf einen Wert zu senken, der unter der Wärmeausdehnung (theoretischer Wert) liegt, die durch das Verhältnis zwischen SiC und Kupfer oder Kupferlegierung 22, bestimmt ist, mit dem bzw. der das SiC zu imprägnieren ist, wie weiter unten beschrieben. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist in etwa gleich groß wie beispielsweise jene des Keramiksubstrats und des Halbleitersubstrats (Silizium, GaAs) zur Verwendung als Substrat für Elektronikteile oder dergleichen. So ist es möglich, das Material für Kühlkörper mit guter Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Genauer gesagt ist es möglich, ein Material für Kühlkörper zu erhalten, bei dem der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich von Raumtemperatur bis 200 °C von 4,0 × 10^–6/°C bis 9,0 × 10^–6/°C ist und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient bei Raumtemperatur nicht unter 180 W/mK liegt.
Gemäß vorliegender Erfindung ist es wünschenswert, dass die Porosität von SiC (etwa gleich wie die Imprägnationsrate des Kupfers oder der Kupferlegierung 22) 20 Vol.-% bis 70 Vol.-% ausmacht. Wenn die Porosität unter 20 Vol.-% liegt, ist es unmöglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur von 180 W/mK zu erhalten. Wenn die Porosität 70 Vol.-% übersteigt, wird die Festigkeit von SiC verringert, und es ist unmöglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten auf unter 9,0 × 10^–6/°C zu senken.
Es ist wünschenswert, dass der Wert des mittleren offenen Porendurchmessers (Porendurchmessers) des SiC 0,5 bis 50 μm beträgt. Wenn der Porendurchmesser unter 0,5 μm liegt, ist es schwierig, die offenen Poren mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu imprägnieren, und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient wird verringert. Wenn der Porendurchmesser andererseits 50 μm übersteigt, wird die Festigkeit des SiC verringert, und es ist unmöglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten auf einen niedrigen Wert zu senken.
Es ist vorzuziehen, dass die Verteilung (Porenverteilung) in Bezug auf die mittleren offenen Poren des SiC zu nicht weniger als 90 % in einem Bereich von 0,5 bis 50 μm liegt. Wenn die Poren mit 0,5 bis 50 μm nicht zu nicht weniger als 90 % verteilt sind, erhöhen sich die offenen Poren, die nicht mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 imprägniert sind. Als Folge wird der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient verringert.
Die Porosität, der Porendurchmesser und die Porenverteilung wurden unter Verwendung eines von der Simadzu Corporation hergestellten automatischen Porosimeters (Markenname: Autopore 9200) gemessen.
Vorzugsweise liegt die Biegefestigkeit des SiC aus den folgenden Gründen nicht unter 10 MPa, wünschenswert nicht unter 20 MPa, und mehr erwünscht nicht unter 30 MPa: Wenn die Biegefestigkeit unter 10 MPa liegt, entsteht das Problem, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient erhöht wird.
Im Allgemeinen wird, wenn als das Kupfer im Handel erhältliches reines Kupfer verwendet wird, ein gutes Verbundmaterial mit einem hohen Wärmeleitfähidkeitskoeffizienten erhalten. Jedoch weist das erhaltene Verbundmaterial keine hervorragende Benetzbarkeit in Bezug auf den porösen Sinterpressling (insbesondere SiC) auf, und die offenen Poren, die nicht mit Kupfer imprägniert werden, bleiben tendenziell bestehen. Daher ist es wünschenswert, die Imprägnationsrate zu verbessern, indem beispielsweise Be, Al, Si, Mg, Ti und Ni zugegeben werden. In diesem Fall kann die Kupferkomponente eine oder mehrere Spezies aus Be, Al, Si, Mg, Ti und Ni in einem Bereich von bis zu 1 % enthalten, wobei sie weiters Gaskomponenten und unvermeidliche Verunreinigungen wie Ag, Cd, Zn, Au, Pd, In, Ga, Pt, Cr, Ge, Rh, Sb, Ir, Co, As, Zr, Fe, Sn, Mn, P und Pb enthält. Wenn das Additiv jedoch in einer Menge von mehr als 1 % zugegeben wird, verringert sich der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient stark, und es ist unmöglich, die Wirkung zu erzielen, die andernfalls durch die Zugabe erzielt würde.
Nun wird ein veranschaulichender Versuch beschrieben. Bei diesem veranschaulichenden Versuch wurde die Differenz im Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und im Wärmeausdehnungskoeffizienten beobachtet, wenn die Porosität, der Porendurchmesser und die Porenverteilung des SiC entsprechend geändert wurden. Die erhaltenen Versuchsergebnisse werden in einer Tabelle in 3 gezeigt.
In 3 stellen die Beispiele 1 bis 8 Fälle dar, in denen Kupfer als Imprägniermaterial verwendet wurde, während die Porosität, der Porendurchmesser und die Porenverteilung jeweils innerhalb der vorbestimmten Bereiche verändert wurden. Beispiel 9 stellt einen Fall dar, in dem eine Kupferlegierung, die 0,5 Gew.-% Be und den Rest an Cu enthielt, als Imprägniermaterial verwendet wurde, während die Porosität, der Porendurchmesser und die Porenverteilung innerhalb der jeweiligen vorbestimmten Bereiche gehalten wurden. Vergleichsbeispiel 1 stellt einen Fall dar, bei dem Kupfer als Imprägniermaterial verwendet wurde und die Porosität vom vorbestimmten Bereich abwich. Vergleichsbeispiel 2 stellt einen Fall dar, bei dem Kupfer als Imprägniermaterial verwendet wurde und die Porosität und die Porenverteilung jeweils vom vorbestimmten Bereich abwichen. Vergleichsbeispiel 3 stellt einen Fall dar, bei dem Kupfer als Imprägniermaterial verwendet wurde und der Porendurchmesser und die Porenverteilung jeweils vom vorbestimmten Bereich abwichen.
Gemäß den Versuchsergebnissen gilt für jedes der Beispiele 1 bis 9 Folgendes: Wärmeleitfähigkeitskoeffizient bei Raumtemperatur = 180 W/mK oder mehr und Wärmeausdehnungskoeffizient = 4,0 × 10^–6/°C bis 9,0 × 10^–6/°C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Mittelwert für jene, die bei Raumtemperatur bis 200 °C erhalten werden.
Andererseits hat in Vergleichsbeispiel 1 die Porosität einen Wert, der unter dem vorbestimmten Bereich liegt. Daher wird die Imprägnationsrate mit Kupfer verringert, und dem gemäß beträgt auch der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient 165 W/mK, was niedrig ist. In Vergleichsbeispiel 2 hat die Porosität einen Wert oberhalb des vorbestimmten Bereichs. Daher ist die Imprägnationsrate mit Kupfer erhöht, und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient beträgt 325 W/mK, was ebenfalls hoch ist. Die Festigkeit des SiC wird jedoch in einem dementsprechenden Grad verringert, und der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt 12,4 × 10^–6/°C, was hoch ist.
Wenn die in den Beispielen 1 bis 8 erhaltenen Ergebnisse dargestellt werden, wobei der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient auf der X-Achse und der Wärmeausdehnungskoeffizient auf der Y-Achse aufgetragen wird, kann angenommen werden, dass die Charakteristik, die erhalten wird, wenn SiC mit Kupfer imprägniert wird, durch eine Kennlinie dargestellt wird, wie durch eine Kurve „a" in 4 gezeigt. In 4 gibt eine Kurve „b" theoretische Werte an, die erhalten werden, wenn SiC und Aluminium Pulverformung unterzogen werden, eine Kurve „c" gibt theoretische Werte an die erhalten werden, wenn SiC und Kupfer Pulverformung unterzogen werden, und eine Kurve „d" gibt tatsächlich gemessene Werte an, die erhalten werden, wenn SiC mit Aluminium imprägniert wird.
In 4 stellt ein Bereich A, der durch eine in strichpunktierter Linie dargestellte Ellipse angegeben ist, einen charakteristischen Bereich von Cu-W dar, das bisher als Material für Kühlkörper verwendet worden ist. Wie in 3 gezeigt, versteht es sich, dass die Beispiele 6 bis 8 Merkmale aufweisen, die der oben beschriebenen Charakteristik von Cu-W aus den folgenden Gründen überlegen sind: In jedem der Beispiele 6 bis 8 ist der Bereich des Wärmeausdehnungskoeffizienten in etwa gleich wie jener von Cu-W, und der Bereich des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten ist höher als jener von Cu-W, wobei die Beispiele 6 bis 8 in einem optimalen Charakteristikbereich (dem durch ein in gestrichelten Linien dargestelltes Rechteck angegebenen Bereich) B liegen, was das Material für Kühlkörper betrifft. Daher können die Merkmale des Verbundmaterials im optimalen Charakteristikbereich konzentriert werden, was das Material für Kühlkörper betrifft, indem die Porosität, der Porendurchmesser und die Porenverteilung des SiC optimiert werden.
Als Nächstes werden die Herstellungsverfahren gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 5 bis 15 erklärt. Die Herstellungsverfahren gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform umfassen die Schritte, die grob in den Imprägnierungsschritt und den Abkühlungsschritt unterteilt werden können. Im Imprägnierungsschritt werden das SiC, das als Basismaterial dienen soll, und das Kupfer oder die Kupferlegierung erhitzt, ohne sie miteinander in Kontakt zu bringen, und beide werden miteinander in Kontakt treten gelassen, und die beiden treten im Zustand des Erreichens einer vorbestimmten Temperatur in gegenseitigen Kontakt, wobei unmittelbar danach ein hoher Druck angelegt wird, so dass SiC mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägniert wird. Im Abkühlungsschritt wird das mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägnierte SiC abgekühlt.
Zunächst wird, wie spezifisch anhand eines Beispiels in den 5A und 5B dargestellt, das Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform unter Verwendung eines Hochdruckgefäßes 20 durchgeführt. Das Hochdruckgefäß 30 ist mit Rotationswellen 38 an jeweils in etwa mittleren Abschnitten der beiden Seitenplatten 34, 36 eines Gehäuses 32 in Form eines hohlen rechteckigen Quaders versehen. Das Gehäuse 32 selbst ist um die Rotationswellen 38 als Mittelpunkt drehbar.
Ein feuerfestes Gefäß 40 und eine Heizeinrichtung 42 zum Aufheizen des feuerfesten Gefäßes 40 sind im Gehäuse 32 vorgesehen. Das feuerfeste Gefäß 40 hat die Konfiguration eines hohlen rechtwinkeligen Parallelepipeds mit einem hohlen Abschnitt 44 darin. Eine Öffnung 46, die mit dem hohlen Abschnitt 44 kommuniziert, ist an einem mittleren Abschnitt in vertikaler Richtung an einer Seitenfläche vorgesehen. Der hohle Abschnitt 44 umfasst einen hohlen Abschnitt (in der Folge als „erste Kammer 44a" bezeichnet), der in Bezug auf die mittlere Öffnung 46 als Mittelpunkt abgeteilt ist. Ein Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 oder geschmolzenes Metall aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 zur Verwendung als Imprägniermaterial ist in der ersten Kammer 44a untergebracht. Eine Mehrzahl von Stücken aus SiC 20 zur Verwendung als zu imprägnierendes Material ist am anderen hohlen Abschnitt (in der Folge als „zweite Kammer 44b" bezeichnet) befestigt. Ein Stützmechanismus für SiC 20 ist vorgesehen, so dass das SiC 20 nicht herunterfällt, auch wenn die zweite Kammer 44b nach oben gerichtet ist. Die Heizeinrichtung 42 hat eine Struktur, die auch bei einem hohen Druck von 100 kp/cm² nicht zerstört wird.
Das Hochdruckgefäß 30 ist mit einem Saugrohr 48 zur Vakuumsaugung sowie einem Einlassrohr 50 und einem Auslassrohr 52 für ein Gas zum Anlegen eines hohen Drucks und ein Gas zum Abkühlen versehen.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 6 der Imprägnierungsschritt und der Abkühlungsschritt erklärt, die unter Verwendung des Hochdruckgefäßes 30 durchgeführt werden. Der Imprägnierungsschritt wird durchgeführt, indem die folgenden Schritte ausgeführt werden.
Zunächst wird das Hochdruckgefäß 30 in einem Anfangszustand belassen, und die erste Kammer 44a des feuerfesten Gefäßes 40, das innerhalb des Hochdruckgefäßes 30 vorgesehen ist, ist nach unten gerichtet angeordnet (Schritt S1).
Daraufhin werden das SiC 20 und der Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 im feuerfesten Gefäß 40 des Hochdruckgefäßes 30 angeordnet. Der Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 wird in der ersten Kammer 44a des feuerfesten Gefäßes 40 angeordnet, und das SiC wird in die zweite Kammer 44b gesetzt (Schritt S2). Danach wird das Hochdruckgefäß 30 (und das feuerfeste Gefäß 40) dicht verschlossen, und dann wird durch das Saugrohr 48 Vakuumsaugen für das Innere des Hochdruckgefäßes 30 durchgeführt, so dass sich das Innere des Hochdruckgefäßes 30 in einem Unterdruckzustand befindet (Schritt S3).
Daraufhin wird an die Heizeinrichtung 42 eine elektrische Leistung angelegt, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 in der ersten Kammer 44a zu erwärmen und zu schmelzen (Schritt S4). In der folgenden Erklärung werden das Kupfer oder die Kupferlegierung 22, das bzw. die erhitzt und geschmolzen worden ist, der Einfachheit halber als „geschmolzenes Kupfer" bezeichnet.
Daraufhin wird das Hochdruckgefäß 30 in einem Stadium, in dem das geschmolzene Kupfer in der ersten Kammer 44a eine vorbestimmte Temperatur erreicht, um 180° umgedreht (Schritt S5). Dieser Umkehrungsvorgang ermöglicht es, dass die erste Kammer 44a nach oben gerichtet angeordnet ist. Dem gemäß fällt das geschmolzene Kupfer in der ersten Kammer 44a durch sein Eigengewicht nach unten in Richtung der zweiten Kammer 44b, die darunter angeordnet ist. In diesem Stadium liegt ein Zustand vor, in dem das SiC 20 in das geschmolzene Kupfer eingetaucht ist.
Daraufhin wird durch das Gaseinlassrohr 50 ein Imprägniergas in das Hochdruckgefäß 30 eingeleitet, um an das Innere des Hochdruckgefäßes 30 einen Druck anzulegen (Schritt S6). Diese Druckanlegungsbehandlung ermöglicht es, dass offene Poren des SiC 20 mit dem geschmolzenen Kupfer imprägniert werden.
Unmittelbar nach Abschluss des Imprägnierungsschritts wird das Verfahren mit dem Abkühlungsschritt fortgesetzt. Beim Abkühlungsschritt wird das Hochdruckgefäß 30 wieder um 180° umgedreht (Schritt S7). Dieser Umkehrungsvorgang ermöglicht es, dass die erste Kammer 44a nach unten gerichtet angeordnet ist. Dem gemäß fällt das geschmolzene Kupfer in der zweiten Kammer 44b wieder nach unten auf die erste Kammer 44a zu. Die offenen Poren des SiC 20 sind als Ergebnis der in Schritt S6 durchgeführten Druckanlegungsbehandlung (Imprägnierungsbehandlung) mit ei nem Teil des geschmolzenen Kupfers imprägniert worden. Daher ist das geschmolzene Kupfer, das nach unten auf die darunter liegende erste Kammer 44a zu fällt, verbliebenes geschmolzenes Kupfer, mit dem kein SiC 20 imprägniert worden ist. In dem Zustand, in dem das verbliebene geschmolzene Kupfer nach unten auf die erste Kammer 44a zu gefallen ist, verbleibt mit dem geschmolzenen Kupfer imprägniertes SiC 20 in der zweiten Kammer 44b.
Daraufhin wird das Imprägniergas im Hochdruckgefäß 30 durch das Gasauslassrohr 52 abgegeben, und gleichzeitig wird ein Kühlgas durch das Gaseinlassrohr 50 in das Hochdruckgefäß 30 eingebracht (Schritt S8). Das Abgeben des Imprägniergases und das Einbringen des Kühlgases ermöglichen es, dass das Kühlgas ausgiebig durch das Innere des Hochdruckgefäßes 30 zirkuliert, und so wird das Hochdruckgefäß 30 rasch abgekühlt. Entsprechend dem raschen Abkühlen wird das geschmolzene Kupfer, mit dem das SiC 20 imprägniert ist, rasch zu einer Masse oder einem Klumpen aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 verfestigt, und sein Volumen vergrößert sich. So wird das Kupfer oder die Kupferlegierung 22, mit dem bzw. der imprägniert worden ist, vom SiC 20 festgehalten.
Es ist ein weiterer Abkühlungsschritt verfügbar, wie in einem in 6 in gestrichelten Linien dargestellten Kästchen gezeigt. Dabei wird das Hochdruckgefäß 30 oder das mit dem geschmolzenen Kupfer imprägnierte SiC 20 in einem Zustand, in dem die Behandlung in Schritt S7 abgeschlossen worden ist, mit einem Kühlblock in Kontakt gebracht (Schritt 9). Das SiC 20 wird durch den Kontakt mit dem Kühlblock rasch abgekühlt. Der Kühlvorgang kann durchgeführt werden, während der Kühlblock mit Wasser gekühlt wird, oder der Kühlvorgang kann durchgeführt werden, während der Kühlblock in einer Position angeordnet ist, die vom Heizkörper getrennt ist. Insbesondere ist es vorzuziehen, die Abkühlung in Hinblick auf eine Steigerung der Effizienz durchzuführen.
Wie oben beschrieben, kann die Behandlung zur Imprägnierung des SiC 20 mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22, die im Allgemeinen als schwierig erachtet wird, leicht vorgenommen werden, indem der Imprägnierungsschritt und der Abkühlungs schritt durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Imprägnationsrate des Kupfers oder der Kupferlegierung 22 in das SiC 20 zu verbessern. Daher ist es möglich, die Produktivität des Kühlkörpers 10 zu verbessern, der Merkmale aufweist, die an das Gleichgewicht zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten angepasst sind, das für tatsächliche elektronische Teile oder dergleichen (einschließlich Halbleitervorrichtungen) erforderlich ist, nämlich einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,0 × 10^–6/°C bis 9,0 × 10^–6/°C von Raumtemperatur bis 200 °C und einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bei Raumtemperatur von 180 W/mK oder mehr.
In Schritt S4, in dem die elektrische Leistung an die Heizeinrichtung 42 angelegt wird, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 in der ersten Kammer 44a zu schmelzen, ist es wünschenswert, dass die vorbestimmte Temperatur (Erwärmungstemperatur), um zu Schritt S5 zu gelangen, eine Temperatur ist, die um 30 °C bis 250 °C über dem Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung 22 liegt, und vorzugsweise eine Temperatur, die um 50 °C bis 200 °C über dem Schmelzpunkt liegt. Bei diesem Verfahren befindet sich das Innere des Hochdruckgefäßes 30 vorzugsweise in einem Vakuum von nicht mehr als 0,13 Pa (1 × 10^–3 Torr).
In Schritt S6 liegt der Druck, der durch Einleiten des Imprägniergases in das Hochdruckgefäß 30 an das Hochdruckgefäß 30 angelegt wird, nicht unter 0,98 MPa (10 kp/cm²) und nicht über 98 MPa (1.000 kp/cm²). Bei diesem Verfahren liegt der Druck vorzugsweise nicht unter 4,9 MPa (50 kp/cm²) und nicht über 19 MPa (200 kp/cm²) und mehr bevorzugt nicht unter 9,8 MPa (100 kp/cm²) und nicht über 14,7 MPa (150 kp/cm²).
Wünschenswert wird der Druck an das Hochdruckgefäß 30 vorzugsweise für einen Zeitraum nicht unter 1 min und nicht über 30 min, und mehr bevorzugt für nicht weniger als 2 min und nicht mehr als 10 min angelegt.
Wie oben beschrieben, ist es bei den Poren des SiC 20 wünschenswert, dass jene mit einem mittleren Durchmesser von 5 μm bis 50 μm in einer Menge von 90 % oder mehr vorliegen und die Porosität 20 Vol.-% bis 70 Vol.-% ausmacht.
Vorzugsweise wird das SiC 20 zuvor mit 1 bis 10 Vol.-% und wünschenswert 3 bis 5 Vol.-% Ni plattiert, um die Benetzbarkeit zwischen dem SiC 20 und dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu verbessern. In diesem Fall ist es möglich, Imprägnierung unter Einsatz eines niedrigen Drucks zu erreichen. Die Ni-Plattierung, auf die hierin Bezug genommen wird, umfasst beispielsweise Ni-P-Plattierung und Ni-B-Plattierung.
Um die Benetzbarkeit zwischen SiC 20 und dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu verbessern, wird das SiC 20 vorzugsweise zuvor mit 1 bis 10 Vol.-% Si, und mehr erwünscht 3 bis 5 Vol.-% Si imprägniert. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, Imprägnierung unter Einsatz eines niedrigen Drucks zu erreichen.
In Bezug auf die zuvor angewandte Ni-Plattierung von SiC 20 mit 1 bis 10 Vol.-% oder die vorherige Imprägnierung mit 1 bis 10 Vol.-% Si ist es auch vorzuziehen, dass SiC zuvor mit Palladium plattiert wird. In diesem Fall ist es zusätzlich zur Palladium-Plattierung auch möglich, Verbundplattierung gemeinsam mit Ni und Si anzuwenden.
Andererseits ist es wünschenswert, dass der Abkühlungsschritt in einem Bereich von der Temperatur während des Imprägnierens bis 800 °C bevorzugt mit einer Abkühlungsrate von nicht weniger als –400 °C/h und mehr bevorzugt nicht weniger als –800 °C/h durchgeführt wird.
In Schritt S6 ist der an das Hochdruckgefäß 30 angelegte Druck ein Druck, wie notwendig, um die offenen Poren des SiC 20 vollständig mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu imprägnieren. Bei diesem Verfahren wird, wenn im SiC 20 offene Poren verbleiben, die nicht mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 imprägniert sind, die Wärmeleitfähigkeit deutlich beeinträchtigt. Daher ist es notwendig, einen hohen Druck anzulegen.
Der Druck kann gemäß der Washburn-Gleichung ungefähr geschätzt werden. Je kleiner jedoch der Porendurchmesser ist, desto größer ist die erforderliche Kraft. Beispielsweise beträgt der jeweils erforderliche Druck im Fall von 0,1 μm Durchmesser 39 MPa (400 kp/cm²), im Fall von 1,0 μm Durchmesser 3,9 MPa (40 kp/cm²) und im Fall von 10 μm Durchmesser 0,39 MPa (4 kp/cm²).
Bei einer hohen Temperatur tritt zwischen SiC 20 und dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 eine Reaktion auf. SiC 20 wird zu Si und C abgebaut, und die ursprüngliche Funktion wird nicht erfüllt. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Zeitraum zu verkürzen, für den das SiC 20 bei der hohen Temperatur direkt mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 in Kontakt tritt. Es ist möglich, die Kontaktzeit zwischen SiC 20 und dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu verkürzen, indem die erste Behandlungsbedingung (an das Hochdruckgefäß 30 angelegter Druck = nicht weniger als 10 kp/cm² und nicht mehr als 1.000 kp/cm²), die zweite Behandlungsbedingung (Erhitzungstemperatur = Temperatur, die um 30 °C bis 250 °C über dem Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung 22 liegt), und die dritte Behandlungsbedingung (auf das SiC 20 wird zuvor eine Ni-Plattierung mit 1 bis 10 Vol.-% aufgebracht) erfüllt werden. Dem gemäß ist es möglich, die Abbaureaktion von SiC 20 wie zuvor oben beschrieben zu vermeiden.
Die Benetzbarkeit zwischen SiC 20 und dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 ist schlecht. Daher ist es notwendig, den hohen Druck anzulegen, um die Imprägnierung mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 ausreichend vorzunehmen. Die Qualität der Porenoberfläche des SiC 20 wird so modifiziert, dass eine gute Benetzbarkeit zwischen SiC 20 und dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 entsteht, indem die dritte Behandlungsbedingung (auf das SiC 20 wird zuvor eine Ni-Plattierung mit 1 bis 10 Vol.-% aufgebracht) oder die vierte Behandlungsbedingung (SiC 20 wir zuvor mit 1 bis 10 Vol.-% Si imprägniert) erfüllt wird. Dem gemäß ist es möglich, fei nere Poren bei einem geringeren Druck mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu imprägnieren.
Nun wird ein veranschaulichender Versuch beschrieben. Bei diesem veranschaulichenden Versuch wurde der Unterschied in der Situation der SiC/Cu-Reaktion und der Imprägnationssituation von Cu beobachtet, der durch entsprechende Änderung der Porosität des SiC 20, des Porendurchmessers, des Vorhandenseins oder Nicht-Vorhandenseins von Ni-Plattierung, des Vorhandenseins oder Nicht-Vorhandenseins von Si-Imprägnation, der Imprägniertemperatur, des angewandten Drucks, der Druckanlegungszeit und der Abkühlungsrate erzielt wurde. Die erzielten Versuchsergebnisse werden in einer Tabelle in 7 gezeigt. In 7 wurde die Situation der SiC/Cu-Reaktion durch die Dicke (Durchschnittswert) der zwischen SiC und Cu gebildeten Reaktionsschicht bestimmt. Die determinierende Bedingung in dem Versuch ist die folgende: Die Basis der determinierenden Bedingung ist die Tatsache, dass, wenn zwischen SiC und Cu eine Reaktionsschicht mit nicht weniger als 5 μm gebildet wird, die Wärmeübertragung zwischen SiC und Cu beeinträchtigt wird, was zu einer Verringerung der Wärmeleitung führt, wenn das erhaltene Material als Verbundmaterial für Kühlkörper für Halbleitervorrichtungen verwendet wird.
Die (mittlere) Dicke der Reaktionsschicht ist nicht größer als 1 μm → „keine Reaktion";
die (mittlere) Dicke der Reaktionsschicht ist größer als 1 μm und nicht größer als 5 μm → „weniger Reaktion";
die (mittlere) Dicke der Reaktionsschicht ist größer als 5 μm → „viel Reaktion".
Gemäß den Versuchsergebnissen ist bei all jenen, bei denen die vorbestimmten Bereiche der Porosität von SiC 20, des Porendurchmessers, der Imprägnationstemperatur, des angelegten Drucks, der Druckanlegungszeit und der Abkühlungsrate eingehalten werden (Proben 3, 7, 8, 11 und 12), die SiC/Cu-Reaktionssituation „keine Reaktion", und die Cu-Imprägnierungssituation ist gut. Somit werden gute Ergebnisse erzielt.
Was die oben beschriebenen Proben 3, 7, 8, 11 und 12 betrifft, wird bei den Proben 3, 7, 11 und 12 die Ni-Plattierung und die Si-Imprägnierung durchgeführt. Daher ist die Benetzbarkeit in Bezug auf Cu gut, und die guten Ergebnisse werden wie oben beschrieben erzielt, auch wenn die Druckanlegungszeit kurz ist. Was Probe 8 betrifft, werden keine Ni-Plattierung und Si-Imprägnierung durchgeführt. Die Druckanlegungszeit wird jedoch erfolgreich verkürzt, indem der angelegte Druck erhöht wird. So werden die guten Ergebnisse erzielt, wie oben beschrieben.
Andererseits ist, was die Proben 1, 5 und 9 betrifft, bei denen der angelegte Druck 8 kp/cm² beträgt, was unter dem vorbestimmten Bereich liegt, die Cu-Imprägnationssituation bei allen unzureichend. Was die oben beschriebenen Proben 1,5 und 9 betrifft, ist die SiC/Cu-Reaktionssituation bei jenen mit der langen Druckanlegungszeit (Proben 1 und 5) „viel Reaktion".
Was Probe 6 betrifft, ist die Imprägnationssituation unzureichend, obwohl die SiC/Cu-Reaktionssituation „weniger Reaktion" ist, vermutlich deswegen, weil die Porosität und der Porendurchmesser jeweils nicht in den vorbestimmten Bereichen liegen. Was Probe 14 betrifft, ist die SiC/Cu-Reaktionssituation „viel Reaktion", obwohl die Imprägnationssituation gut ist, vermutlich deshalb, weil der Porendurchmesser über dem vorbestimmten Bereich liegt und die Druckanlegungszeit relativ lang ist.
Im Übrigen kann beispielsweise ein Sinterpressling aus Si-SiC, der eine Hauptphase enthält, die 2 bis 25 Gew.-% Si und 75 bis 98 Gew.-% SiC umfasst, als das mit Si imprägnierte SiC (Si-SiC-Sinterpressling) verwendet werden, das gute Benetzbarkeit in Bezug auf das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 aufweist. Um den Si-SiC-Sinterpressling zu erhalten, ist es vorzuziehen, dass die Al-Verunreinigung auf nicht mehr als 0,2 Gewichtsteile eingedämmt wird und das SiO₂ auf nicht mehr als 3,0 Gewichtsteile eingedämmt wird, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile der Haupt phase, und die gesamte Menge an Verunreinigung auf 0,4 bis 4,2 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile der Hauptphase, eingedämmt wird.
Spezifisch wird kurz ein Verfahren zur Herstellung des Si-SiC-Sinterpresslings beschrieben. Zuerst wird, was das Material zum Formen betrifft, ein Rohmaterial verwendet, das SiC-Pulver, Kohlenstoffpulver, organisches Bindemittel und Wasser oder organisches Lösungsmittel enthält.
Das Material zum Formen wird gemischt und geknetet, und es wird in eine vorbestimmte Gestalt gebracht, um einen Pressling herzustellen. Daraufhin wird der Pressling in einer Inertgas-Atmosphäre bei einem verringerten Druck oder in Vakuum in einer metallischen Silizium-Atmosphäre platziert. Der Pressling wird mit dem metallischen Silizium imprägniert, um den Si-SiC-Sinterpressling herzustellen.
Als Formungsverfahren kann ein beliebiges aus Formpressen, Gussformung und Strangpressen zur Verfügung stehen. In Hinblick auf die Massenproduktionsleistung wird jedoch bevorzugt Formpressen eingesetzt. Als Verfahren zum Anlegen des Drucks wird vorzugsweise hydraulisches Pressen eingesetzt. In diesem Fall beträgt der Druck der Hydraulikpresse 4,9 bis 196 MPa (50 bis 2.000 kp/cm²).
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf die 8 und 9 mehrere modifizierte Ausführungsformen erklärt, die den Imprägnierungsschritt des Herstellungsverfahrens betreffen.
Wie in 8 gezeigt, wird im Imprägnierungsschritt, der die erste modifizierte Ausführungsform betrifft, zunächst ermöglicht, dass sich ein Hochdruckgefäß 30 in einem Anfangszustand befindet. Die erste Kammer 44a der feuerfesten Kammer 40, die im Hochdruckgefäß 30 vorgesehen ist, ist nach unten gerichtet angeordnet (Schritt S101).
Daraufhin wird SiC 20 in die zweite Kammer 44b gesetzt, bzw. die und das zuvor geschmolzene Kupfer oder Kupferlegierung (geschmolzenes Kupfer) 22 wird in die erste Kammer 44a gegossen (Schritt S102).
Daraufhin wird das Hochdruckgefäß 30 um 180° in einem Zustand umgedreht, in dem das geschmolzene Kupfer in der ersten Kammer 44a eine vorbestimmte Temperatur erreicht (Schritt S103). Dieser Umkehrungsvorgang ermöglicht es, dass das geschmolzene Kupfer in der ersten Kammer 44a nach unten zur darunter liegenden zweiten Kammer 44b fällt. In diesem Stadium liegt ein Zustand vor, in dem SiC 20 in das geschmolzene Kupfer eingetaucht ist.
Daraufhin wird das Imprägniergas durch das Gaseinlassrohr 50 in das Hochdruckgefäß 30 eingeführt, um im Inneren des Hochdruckgefäßes 30 einen Druck anzulegen (Schritt S104). Diese Druckanlegungsbehandlung ermöglicht es, die offenen Poren des SiC mit dem geschmolzenen Kupfer zu imprägnieren.
Als Nächstes wird der Imprägnierungsschritt in Bezug auf die zweite modifizierte Ausführungsform erklärt. Der Imprägnierungsschritt, der die zweite modifizierte Ausführungsform betrifft, basiert auf der Verwendung eines Hochdruckgefäßes 30 mit einer (nicht gezeigten) Trennwand, die aus einem porösen Keramikelement besteht, das an einem inneren mittleren Abschnitt eines feuerfesten Gefäßes 40 vorgesehen ist, das im Hochdruckgefäß 30 angebracht ist. Das Innere des feuerfesten Gefäßes 40 ist durch eine Trennwand in eine erste Kammer 44a und eine zweite Kammer 44b unterteilt.
Es ist wünschenswert, dass ein poröses Keramikelement mit einer Porosität von 40 bis 90 % und einem Porendurchmesser von 0,5 mm bis 3,0 mm als Trennwand verwendet wird. Mehr bevorzugt wird wünschenswert ein Keramikelement mit einer Porosität von 70 % bis 85 % und einem Porendurchmesser von 1,0 mm bis 2,0 mm verwendet.
Im Imprägnierungsschritt gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform wird zunächst, wie in 9 gezeigt, ermöglicht, dass sich das Hochdruckgefäß in einem Anfangszustand befindet. Die erste Kammer 44a des feuerfesten Gefäßes 40, das im Hochdruckgefäß vorgesehen ist, ist nach unten gerichtet angeordnet, und die zweite Kammer 44b ist nach oben gerichtet angeordnet (Schritt S201).
Daraufhin werden SiC 20 und ein Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 in der nach oben gerichteten zweiten Kammer 44b angeordnet, und das SiC 20 wird in die nach unten gerichtete erste Kammer 44a gesetzt (Schritt S202).
Daraufhin wird das Hochdruckgefäß 30 (und das feuerfeste Gefäß 40) dicht verschlossen, und dann wird durch das Saugrohr 48 Vakuumsaugen für das Innere des Hochdruckgefäßes 30 durchgeführt, so dass sich das Innere des Hochdruckgefäßes 30 in einem Unterdruckzustand befindet (Schritt S203).
Daraufhin wird elektrische Leistung an die Heizeinrichtung 42 angelegt, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 in der zweiten Kammer 44b zu schmelzen (Schritt S204). Das Imprägniergas wird in einem Zustand, in dem das geschmolzene Kupfer eine vorbestimmte Temperatur erreicht, durch das Gaseinlassrohr 50 in das Hochdruckgefäß 30 eingeführt, um im Inneren des Hochdruckgefäßes 30 einen Druck anzulegen (Schritt S205). Diese Druckanlegungsbehandlung ermöglicht es dem geschmolzenen Kupfer in der nach oben gerichtet angeordneten zweiten Kammer 44b, durch die Trennwand hindurch zu gelangen, und so werden offene Poren des SiC 20 in der nach unten gerichtet angeordneten ersten Kammer 44a damit imprägniert.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 10 bis 15 erklärt.
Spezifisch wird das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform unter Verwendung eines Heißpressofens 60 durchgeführt, wie beispielhaft in 10 dargestellt. Der Heißpressofen 60 umfasst in einem zylindrischen Gehäuse 62 einen unteren Stempel 64, der auch als Basis dient, ein feuerfestes Gefäß 66, das an sei ner Deckfläche eine Öffnung aufweist und das am unteren Stempel 64 befestigt ist, einen oberen Stempel 68, der aus einer oberen Position nach vorne und nach hinten in das feuerfeste Gefäß 66 bewegt werden kann, sowie eine Heizeinrichtung 70 zum Erhitzen des feuerfesten Gefäßes 66. Der Heißpressofen 60 umfasst weiters ein Saugrohr 72 zur Vakuumsaugung.
Das feuerfeste Gefäß 66 weist eine zylindrische Form mit einem hohlen Abschnitt 74 auf. Der obere Stempel 68 ist an seiner Innenfläche mit einem Flansch 76 versehen, um den Hub des oberen Stempels 68 zu bestimmen. Der Flansch 76 weist eine Unterfläche auf, an der eine Dichtung 78 befestigt ist, um mit einer oberen Umfangsfläche des feuerfesten Gefäßes 66 in Kontakt zu treten, um für einen dicht abgeschlossenen Zustand des feuerfesten Gefäßes 66 zu sorgen. Andererseits umfasst der untere Stempel 64 an seiner Innenseite einen Durchlass 80, der das Hindurchfließen eines Heizfluids zum Erhitzen des Inneren des feuerfesten Gefäßes 66 und eines Kühlfluids zum Kühlen des Inneren des feuerfesten Gefäßes 66 ermöglicht.
Das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform wird durchgeführt, indem die in 11 gezeigten Schritte ausgeführt werden.
Zunächst werden das SiC 20, ein aus porösem Keramikmaterial bestehender Filter 54 und ein Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 in dieser Reihenfolge von unten in den hohlen Abschnitt 74 des feuerfesten Gefäßes 66 eingebracht (Schritt S301). Wünschenswert wird als der Filter 54 ein poröses Keramikelement mit einer Porosität von 40 % bis 90 % und einem Porendurchmesser von 0,5 mm bis 3,0 mm verwendet. Mehr bevorzugt wird wünschenswert ein Keramikelement mit einer Porosität von 70 % bis 85 % und einem Porendurchmesser von 1,0 mm bis 2,0 mm verwendet.
Der Filter 54 fungiert auch als Trennwand, um das SiC 20 vom Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 zu trennen, so dass sich beide in einem Zustand befinden, in dem sie einander nicht kontaktieren. Ein Abschnitt des hohlen Abschnitts 74, an dem der Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 über dem Filter 54 angesetzt ist, kann als eine obere Kammer 74a definiert sein. Ein Abschnitt des hohlen Abschnitts 74, an dem SiC unter dem Filter 54 angesetzt ist, kann als untere Kammer 74b definiert sein.
Als Nächstes wird nach dem dichten Verschließen des feuerfesten Gefäßes 66 das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 seiner Vakuumsaugung durch das Saugrohr 72 unterzogen, so dass sich das Innere der beiden Kammern 74a, 74b des feuerfesten Gefäßes 66 in einem Unterdruckzustand befindet (Schritt S302).
Daraufhin wird eine elektrische Leistung an die Heizeinrichtung 70 angelegt, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 in der oberen Kammer 74a zu erhitzen und zu schmelzen (Schritt S303). Während dieses Vorgangs kann gleichzeitig mit dem Anlegen der elektrischen Leistung an die Heizeinrichtung 70 zugelassen werden, dass das Heizfluid durch den Durchlass 80 in den unteren Stempel 64 fließt, sodass das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 erhitzt wird.
In einem Zustand, in dem die geschmolzene Materie (geschmolzenes Kupfer) aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 in der oberen Kammer 74a eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wird der obere Stempel 68 abwärts bewegt, um das Innere der oberen Kammer bis zu einem vorbestimmten Druck mit Druck zu beaufschlagen (Schritt S304). Zu diesem Zeitpunkt ist das feuerfeste Gefäß 66 entsprechend dem Kontakt und dem gegenseitigen Pressen, das zwischen der oberen Umfangsfläche des feuerfesten Gefäßes 66 und der Dichtung 78 ausgeübt wird, die am Flansch 76 des oberen Stempels 68 befestigt ist, dicht verschlossen. So ist es möglich, wirksam den Nachteil zu vermeiden, dass das darin enthaltene geschmolzene Kupfer an die Außenseite des feuerfesten Gefäßes 66 austritt.
Die geschmolzene Materie (geschmolzenes Kupfer) aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 in der oberen Kammer 74a, die den vorbestimmten Druck erreicht hat, wird durch den Druck in der oberen Kammer 74a durch den Filter 54 zur unteren Kammer 74b hin extrudiert, und sie wird in die untere Kammer 74b eingebracht, während gleichzeitig das in der unteren Kammer 74b angeordnete SiC 20 damit imprägniert wird.
Im Stadium des Erreichens eines zuvor durch Zeitmanagement festgelegten Endpunktes (Zeitpunkt, zu dem das Imprägnieren des SiC 20 mit dem geschmolzenen Kupfer einen Sättigungszustand erreicht hat), wird wiederum ermöglicht, dass das Kühlfluid durch den Durchlass 80 in den unteren Stempel 64 fließt, um das feuerfeste Gefäß 66 von unteren Abschnitten zu oberen Abschnitten zu kühlen (Schritt S305). So wird das geschmolzene Kupfer, mit dem das SiC 20 imprägniert ist, verfestigt. Der druckbeaufschlagte Zustand im feuerfesten Gefäß 66, der durch den oberen Stempel 68 und den unteren Stempel 64 bewirkt wird, wird beibehalten, bis die Verfestigung abgeschlossen ist.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Verfestigung abgeschlossen ist, wird das mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 imprägnierte SiC 20 aus dem feuerfesten Gefäß 66 entnommen (Schritt S306).
Bei diesem Herstellungsverfahren werden das SiC 20 und das Kupfer oder die Kupferlegierung erhitzt, während ausreichende Entlüftung vorgenommen wird, und das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 wird geschmolzen, gefolgt vom sofortigen Kontakt mit dem SiC 20, um sie in den druckbeaufschlagten Zustand zu versetzen. Weiters wird der druckbeaufschlagte Zustand beibehalten, bis der Abkühlungsvorgang abgeschlossen ist. Daher ist es möglich, das SiC 20 effizient mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu imprägnieren. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Imprägnierungsbehandlung bei Unterdruck durchgeführt. Die Imprägnierungsbehandlung kann jedoch auch bei Normal-Druck durchgeführt werden.
Wie oben beschrieben, werden, nachdem es ermöglicht wird, dass sowohl das geschmolzene Kupfer als auch das SiC 20 in den druckbeaufschlagten Zustand gelangen, diese miteinander in Kontakt treten gelassen, um die Imprägnierungsbehandlung durchzuführen. Dem gemäß kann der Druckabfall, der bei Kontakt der beiden auftreten würde, minimiert werden. So ist es möglich, den druckbeaufschlagten Zustand während der Imprägnierungsbehandlung gut beizubehalten.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Dichtung 78 an einer Unterfläche des Flansches 76 des oberen Stempels 68 vorgesehen, um Austreten des geschmolzenen Kupfers zu vermeiden. Es kann jedoch, wie mit Punkt-Punkt-Strich-Linien in 10 gezeigt, eine Dichtung 78 an der oberen Umfangsfläche des feuerfesten Gefäßes 66 vorgesehen sein. Alternativ dazu kann, wie in 12A gezeigt, ein Dichtungselement 102, das zwei übereinander liegende ringförmige Dichtungen 100 vom geteilten Typ umfasst, an einem unteren Abschnitt des oberen Stempels 68 vorgesehen sein, wie in 13 gezeigt. Bei dieser Anordnung tritt das geschmolzene Kupfer in einen hohlen Abschnitt 104 des Dichtungselements 102 ein. So wird der Durchmesser einer jeden der Dichtungen 100 vom geteilten Typ erhöht. Als Folge wird die obere Kammer 74a dicht verschlossen, und so wird das Austreten des geschmolzenen Kupfers verhindert.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 14 und 15 eine modifizierte Ausführungsform des Herstellungsverfahrensgemäß der zweiten Ausführungsform erklärt. Komponenten oder Teile, die den in 10 gezeigten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine doppelte Erklärung derselben entfällt.
Wie in 14 gezeigt, basiert das Herstellungsverfahren, das diese modifizierte Ausführungsform betrifft, auf der Verwendung eines Heißpressofens 60, der ein Filterelement 110 aus porösem Keramikmaterial, das an einem mittleren Abschnitt in vertikaler Richtung des hohlen Abschnitts 74 des feuerfesten Gefäßes 66 befestigt ist, und eine Tür 112 umfasst, die an einer Seitenfläche der unteren Kammer 74b befestigt ist und frei geöffnet und geschlossen werden kann. Daher dient der Abschnitt des hohlen Abschnitts 74 des feuerfesten Gefäßes 66, der oberhalb des Filterelements 110 angeordnet ist, als die obere Kammer 74a. Der Abschnitt, der unterhalb des Filterelements 110 angeordnet ist, dient als die untere Kammer 74b. Insbesondere wird, was die an der unteren Kammer 74b befestigte Tür 112 betrifft, eine sol che Struktur eingesetzt, dass die untere Kammer 74b dicht verschlossen ist, wenn die Tür 112 geschlossen ist.
Das Herstellungsverfahren, das die modifizierte Ausführungsform betrifft, wird durchgeführt, indem die in 15 gezeigten Schritte durchgeführt werden.
Zunächst wird ein Block auf Kupfer oder Kupferlegierung 22 in die obere Kammer 74a des feuerfesten Gefäßes 66 eingeführt. Die Tür 112 der unteren Kammer 74b wird geöffnet, und das SiC 20 wird in die untere Kammer 74b eingeführt (S401).
Als Nächstes wird die Tür 112 geschlossen, um die untere Kammer 74b dicht zu verschließen, und der Heißpressofen 60 wird dicht verschlossen. Danach wird das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 Vakuumsaugen durch das Saugrohr 72 unterzogen, so dass sich das Innere der beiden Kammern 74a, 7b des feuerfesten Gefäßes 66 in einem Unterdruckzustand befindet (Schritt S402).
Daraufhin wird an die Heizeinrichtung 70 eine elektrische Leistung angelegt, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 in der oberen Kammer 74a zu erhitzen (Schritt S403). Auch bei dieser Ausführungsform kann es zugelassen werden, dass gemeinsam mit dem Anlegen der elektrischen Leistung an die Heizeinrichtung 70 das Heizfluid durch den Durchlass 80 in den unteren Stempel 64 fließt, so dass das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 erhitzt wird.
In dem Zustand, in dem die geschmolzene Materie (geschmolzenes Kupfer) aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 in der oberen Kammer 74a eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wird der obere Stempel 68 abwärts bewegt, um das Innere der oberen Kammer 74a bis zu einem vorbestimmten Druck mit Druck zu beaufschlagen (Schritt S404).
Die geschmolzene Substanz (geschmolzenes Kupfer) aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 in der oberen Kammer 74a, die den vorbestimmten Druck erreicht hat, wird durch den Druck in der oberen Kammer 74a durch das Filterelement 110 zur unteren Kammer 74b hin extrudiert, und sie wird in die untere Kammer 74b eingebracht, wobei gleichzeitig das in der unteren Kammer 74b befindliche SiC 20 damit imprägniert wird.
In dem Zustand, in dem der zuvor durch Zeitmanagement festgelegte Endpunkt erreicht ist, wird wiederum zugelassen, dass das Kühlfluid durch den Durchlass 80 in den unteren Stempel 64 fließt, um das feuerfeste Gefäß 66 von unteren Abschnitten zu oberen Abschnitten zu kühlen (Schritt S405). So wird das geschmolzene Kupfer, mit dem das SiC 20 imprägniert ist, verfestigt.
Zum Zeitpunkt, zu dem die Verfestigung abgeschlossen ist, wird das mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung imprägnierte SiC aus dem feuerfesten Gefäß entnommen (Schritt S406).
Auch beim Herstellungsverfahren, das diese modifizierte Ausführungsform betrifft, ist es auf die gleiche Weise wie beim Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform möglich, das SiC 20 effizient mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu imprägnieren. Auch bei dieser Ausführungsform werden, nachdem ermöglicht wird, dass sowohl das geschmolzene Kupfer als auch das SiC 20 in den druckbeaufschlagten Zustand gelangen, diese miteinander in Kontakt treten gelassen, um die Imprägnierungsbehandlung durchzuführen. Dem gemäß kann der Druckabfall, der bei Kontakt der beiden auftreten würde, minimiert werden. So ist es möglich, den druckbeaufschlagten Zustand während de Imprägnierungsbehandlung gut beizubehalten. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Imprägnierungsbehandlung bei Unterdruck durchgeführt. Die Imprägnierungsbehandlung kann jedoch auch bei normalem Druck durchgeführt werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 16 und 17 ein Herstellungsverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform erklärt. Komponenten oder Teile, die den in 10 gezeigten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine doppelte Erklärung derselben entfällt.
Das Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen im Prinzip das gleiche wie das Herstellungsverfahren gemäß. der zweiten Ausführungsform. Jedoch unterscheidet sich das Erstere vom Letzteren dadurch, dass das SiC 20 im Imprägnierungsschritt bei einem Unterdruck oder einem normalen Druck mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 in Kontakt treten gelassen wird und sie einer Erhitzungsbehandlung unterzogen werden, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 zu schmelzen.
Spezifisch unterscheidet sich das Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausführungsform, wie in 16 gezeigt, vom Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform dadurch, dass der Filter 54 nicht im feuerfesten Gefäß 66 des Heißpressofens 60 eingesetzt wird, der beim Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird, sondern das SiC 20 und das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 in dieser Reihenfolge von unten eingebracht werden.
Das Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausführungsform wird durchgeführt, indem die in 17 gezeigten Schritte ausgeführt werden.
Zunächst werden SiC 20 und ein Block aus Kupfer oder Kupferlegierung 22 in dieser Reihenfolge von unten in den hohlen Abschnitt 74 des feuerfesten Gefäßes 66 eingebracht (Schritt S501).
Als Nächstes wird der Heißpressofen 60 dicht verschlossen. Danach wird das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 Vakuumsaugung durch das Saugrohr 72 unterzogen, so dass sich das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 in einem Unterdruckzustand befindet (Schritt S502).
Daraufhin wird an die Heizeinrichtung 70 eine elektrische Leistung angelegt, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 im feuerfesten Gefäß 66 zu erhitzen und zu schmelzen (Schritt S503). Während dieses Vorgangs kann zugelassen werden, dass gemeinsam mit dem Anlegen von elektrischer Leistung an die Heizeinrichtung 70 das Heizfluid durch den Durchlass 80 in den unteren Stempel 64 fließt, so dass das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 erhitzt wird.
In dem Stadium, in dem die geschmolzene Substanz (geschmolzenes Kupfer) aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 im feuerfesten Gefäß die vorbestimmte Temperatur erreicht, wird der obere Stempel 68 abwärts bewegt, um das Innere des feuerfesten Gefäßes 66 bis zu einem vorbestimmten Druck mit Druck zu beaufschlagen (Schritt S504).
Das SiC 20 wird gemäß dem Druck im feuerfesten Gefäß 66 mit der geschmolzenen Materie (geschmolzenes Kupfer) aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 imprägniert, die den vorbestimmten Druck erreicht hat.
Im Stadium des Erreichens eines zuvor durch Zeitmanagement festgelegten Endpunktes (Zeitpunkt, zu dem das Imprägnieren des SiC 20 mit dem geschmolzenen Kupfer einen Sättigungszustand erreicht hat), wird wiederum ermöglicht, dass das Kühlfluid durch den Durchlass 80 in den unteren Stempel 64 fließt, um das feuerfeste Gefäß 66 von unteren Abschnitten zu oberen Abschnitten zu kühlen (Schritt S505). So wird das geschmolzene Kupfer, mit dem das SiC 20 imprägniert ist, verfestigt. Der druckbeaufschlagte Zustand im feuerfesten Gefäß 66, der durch den oberen Stempel 68 und den unteren Stempel 64 bewirkt wird, wird beibehalten, bis die Verfestigung abgeschlossen ist.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Verfestigung abgeschlossen ist, wird das mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 imprägnierte SiC 20 aus dem feuerfesten Gefäß 66 entnommen (Schritt S506).
Auch bei diesem Herstellungsverfahren werden das SiC 20 und das Kupfer oder die Kupferlegierung erhitzt, während ausreichende Entlüftung vorgenommen wird, um das Kupfer oder die Kupferlegierung 22 in einem Zustand zu schmelzen, in dem Kontakt zwischen dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 und dem SiC 20 besteht, gefolgt vom Herbeiführen des druckbeaufschlagten Zustandes im feuerfesten Gefäß 66. Weiters wird der druckbeaufschlagte Zustand bis zum Abschluss des Abkühlungsvorgangs beibehalten. So ist es möglich, SiC 20 effizient mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung 22 zu imprägnieren.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist das Metall, mit dem SiC 20 imprägniert wird, das Kupfer oder die Kupferlegierung 22. Das Kupfer kann jedoch Verunreinigungen wie 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% Ca, Ag, Cd, Zn, Au, Pd, In, Ga, Pt, Cr, Ge, Rh, Sb, Ir, Co, As, Zr, Fe, Sn, Mn, P und Pb sowie Gaskomponenten enthalten. Selbstverständlich kann das Kupfer reines Kupfer sein.
SiC 20 wird als poröser Sinterpressling verwendet, der dem Imprägnieren zu unterziehen ist. Verwendbar ist jedoch nicht nur SiC, sondern poröse Sinterpresslinge mit einer Biegefestigkeit nicht unter 10 MPa, wie AlN, Si₃N₄, B₄C und BeO.
Es versteht sich, dass das Verbundmaterial für Kühlkörper für Halbleitervorrichtungen sowie das Verfahren zur Herstellung desselben gemäß vorliegender Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, und die vorliegende Erfindung auf verschiedene andere Arten ausgeführt sein kann, ohne von ihrer Grundidee oder ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen.

Claims

Halbleitervorrichtung mit einem aus einem Verbundmaterial bestehenden Kühlkörper, Folgendes umfassend: einen porösen Sinterpressling (20), der mit einem Metall imprägniert ist, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (22) besteht, wobei der poröse Sinterpressling durch Vorkalzinieren eines porösen Körpers mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der unter dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer liegt, erhalten wird, sodass sich eine Netzwerkstruktur ausbildet, wobei das Verhältnis zwischen Kupfer und Kupferlegierung und Verbundmaterial 20 bis 70 Vol.-% beträgt, wobei der poröse Sinterpressling einen mittleren offenen Porendurchmesser von 0,5 bis 50 μm aufweist, sodass das Verbundmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der bei 200 °C unter einem Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt, der stöchiometrisch basierend auf dem Verhältnis zwischen Kupfer und Kupferlegierung und dem porösen Sinterpressling erhalten wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verbundmaterial an einer Grenzfläche zwischen dem porösen Sinterpressling (20) und dem Metall (22) zudem eine Reaktionsschicht umfasst, die eine Dicke von nicht mehr als 5 μm aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, worin die Dicke der Verbundmaterialreaktionsschicht nicht mehr als 1 μm beträgt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, worin der poröse Sinterpressling (20) zumindest eine oder mehrere aus der aus SiC, AlN, Si₃N₄, B₄C und BeO bestehenden Gruppe ausgewählte Verbindungen umfasst.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, worin das Verbundmaterial einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von Raumtemperatur bis 200 °C von 4,0 × 10^–6/°C bis 9,0 × 10^–6/°C und zumindest einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bei Raumtemperatur von nicht weniger als 180 W/mK aufweist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Wert des offenen Porendurchmessers des porösen Sinterpresslings (20) im Bereich von 0,5 bis 50 μm zu nicht weniger als 90 % verteilt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, worin das Kupfer oder die Kupferlegierung (22) ein oder mehrere aus der aus Be, Al, Si, Mg, Ti und Ni bestehenden Gruppe ausgewählte Elemente im Bereich von bis zu 1 % unvermeidbare Verunreinigungs-Komponenten sowie Gaskomponenten enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem aus einem Verbundmaterial bestehenden Kühlkörper, wobei das Verbundmaterial einen porösen Sinterpressling (20), der mit einem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Metall (22) imprägniert ist, umfasst, wobei der poröse Sinterkörper durch Vorkalzinieren eines porösen Körpers erhalten wird, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der unter dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer liegt, sodass sich eine Netzwerkstruktur ausbildet, wobei das Verhältnis zwischen Kupfer und Kupferlegierung und Verbundmaterial 20 bis 70 Vol.-% beträgt, wobei der poröse Sinterpressling einen mittleren offenen Porendurchmesser von 0,5 bis 50 μm aufweist, sodass das Verbundmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der bei 200 °C unter einem Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt, der basierend auf dem Verhältnis zwischen Kupfer und Kupferlegierung und dem porösen Sinterpressling stöchiometrisch erhalten wird, wobei das Verfahren die Herstellung des Verbundmaterials umfasst, einschließlich folgender Schritte: einen Imprägnierungsschritt, bei dem ein poröser Sinterpressling (20), der als Basismaterial dient, und ein zumindest Kupfer enthaltendes Metall (22) in einem Zustand erhitzt werden, in dem sie einander nicht berühren, wobei die beiden (20, 22) im Zustand des Erreichens einer vorbestimmten Temperatur in gegenseitigen Kontakt treten und unmittelbar danach ein Druck von nicht weniger als 0,98 MPa (10 kp/cm²) und nicht mehr als 98 MPa (1.000 kp/cm²) angelegt wird, sodass der poröse Sinterpressling (20) mit dem Metall (22) imprägniert wird; und einen Abkühlungsschritt, bei dem der zumindest mit dem Metall (22) imprägnierte poröse Sinterpressling (29) abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der poröse Sinterpressling eine Biegefestigkeit von nicht weniger als 10 MPa aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfasst: Platzieren des porösen Sinterpresslings (20) und des Metalls (22) in ein identes Gefäß (40), Anordnen des Metalls (22) an einem tiefer liegenderen Abschnitt des Gefäßes (40) und anschließend Ermöglichen, dass das Gefäß (40) im Inneren in einem Unterdruckzustand oder in einem Normal-Druckzustand (S1 bis S3) ist; Erhitzen und Schmelzen des Metalls (22), um das Metall (22) zu geschmolzenem Metall (22) (S4) überzuführen; Umkehren des Gefäßes (40), wenn das geschmolzene Metall (22) sich in einem Zustand befindet, in dem eine vorbestimmte Temperatur erreicht wird, um den porösen Sinterpressling (20) im geschmolzenen Metall (22) im Gefäß (40) (S5) einzutauchen; und Imprägnieren des porösen Sinterpresslings (20) mit dem geschmolzenen Metall (22) durch Einführen eines Imprägniergases in das Gefäß (40), um im Gefäß (40) (S6) einen Druck anzulegen.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Imprägnieren folgende Schritte umfasst: Platzieren des Metalls (22), das zuvor geschmolzen wurde, und des porösen Sinterpresslings (20) in ein identes Gefäß (40), Anordnen des geschmolzenen Metalls (22) an einem tiefer liegenderen Abschnitt des Gefäßes (40), und dann Ermöglichen, dass das Gefäß (40) im Inneren in einem Unterdruckzustand oder einem Normal-Druckzustand (S101, S102) ist; Umkehren des Gefäßes (40), wenn das geschmolzene Metall (22) eine vorbestimmte Temperatur erreicht, um den porösen Sinterpressling (20) im geschmolzenen Metall (22) im Gefäß (40) (S103) einzutauchen; und Imprägnieren des porösen Sinterpresslings (20) mit dem geschmolzenen Metall (22) durch Einführen eines Imprägniergases in das Gefäß (40), um im Gefäß (40) (S104) einen Druck anzulegen.
Verfahren nach den Ansprüchen 10 oder 11, worin der Abkühlungsschritt folgende Schritte umfasst: Umkehren des Gefäßes (40), um den porösen Sinterpressling (20) nach erfolgter Imprägnierung von dem restlichen geschmolzenen Metall, das nicht zur Imprägnierung (S7) verwendet wurde, zu trennen; und Entlüften des Imprägniergases aus dem Gefäß (40), um rasch ein Kühlgas einzuführen, sodass das Innere des Gefäßes (40) abgekühlt wird (S8).
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, worin der Abkühlungsschritt folgende Schritte umfasst: Umkehren des Gefäßes (40), um den porösen Sinterpressling (20) nach erfolgter Imprägnierung von dem restlichen geschmolzenen Metall, das nicht zur Imprägnierung (S7) verwendet wurde zu trennen; und Kontaktierenlassen des Gefäßes (40) mit einem Kühlblock, sodass das Innere des Gefäßes (40) abgekühlt wird (S9).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, worin der Druck über einen Zeitraum von nicht weniger als 1 Minute und nicht mehr als 30 Minuten angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, worin die vorbestimmte Temperatur eine Temperatur ist, die 30 bis 250 °C über dem Schmelzpunkt des Metalls (22) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, worin der Abkühlungsschritt bei einer Abkühlgeschwindigkeit von nicht weniger als –400 °C/h durchgeführt wird, ausgehend von der während des Imprägnierens herrschenden Temperatur bis 800 °C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, worin ein Unterdruck von nicht mehr als 0,13 Pa (1 × 10^–3 Torr) angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, worin der poröse Sinterpressling (20) Poren von nicht weniger als 90 % umfasst, die einen mittleren Durchmesser von 0,5 μm bis 50 μm aufweisen, wobei die Porosität bei 20 bis 70 Vol.-% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, worin der poröse Sinterpressling (20) zuvor mit Ni in einer Menge von 1 bis 10 Vol.-% plattiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, worin der poröse Sinterpressling (20) zuvor mit 1 bis 10 Vol.-% Si imprägniert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfasst: Versetzen des porösen Sinterpresslings (20) und des Metalls (22) in einen Unterdruckzustand oder in einen Normal-Druckzustand, ohne diese miteinander in Kontakt zu bringen (S201 bis S203 oder S301 bis S302); Erhitzen des porösen Sinterpresslings (20) und des Metalls (22) auf die vorbestimmte Temperatur bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck, um das Metall (22) zu schmelzen (S204 oder S303); das Ermöglichen, dass das geschmolzene Metall (22) in einem druckbeaufschlagten Zustand (S205 oder S304) ist; und rasches Kontaktierenlassen des geschmolzenen Metalls (22) bei angelegtem Druck mit dem porösen Sinterpressling (20) bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck und Ermöglichen, dass diese in einem druckbeaufschlagtem Zustand sind, sodass der poröse Sinterpressling (20) mit dem geschmolzenen Metall (22) bei angelegtem Druck imprägniert wird (S205 oder S304), und worin: der Abkühlungsschritt den Schritt des Abkühlens des porösen Sinterpresslings (20) umfasst, der mit dem geschmolzenen Metall (22) bei angelegtem Druck imprägniert ist.
Verfahren nach Anspruch 21, worin sowohl der poröse Sinterpressling (20) als auch das geschmolzene Metall (22), die ohne miteinander in Kontakt zu treten bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck erhitzt und behandelt werden, in den druckbeaufschlagten Zustand versetzt werden, und diesen dann ermöglicht wird, an schließend rasch miteinander in Kontakt zu treten, sodass der poröse Sinterpressling (20) mit dem geschmolzenen Metall (22) imprägniert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfasst: Anordnen des porösen Sinterpresslings (20) und des Metalls (22) in eine obere und untere Kammer (74a, 74b) eines identen Gefäßes (66), das mittels porösem Filter (54) in zwei Kammern geteilt ist, sodass sich die jeweiligen Kammern (74a, 74b) in einem Unterdruckzustand oder in einem Normal-Druckzustand befinden (S301 bis S302 oder S401 bis S402); Erhitzen sowohl der oberen als auch der unteren Kammer (74a, 74b) bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck auf eine vorbestimmte Temperatur, sodass das Metall (22) geschmolzen wird (S303 oder S403); das Ermöglichen, dass die obere Kammer (74a) in einem druckbeaufschlagten Zustand (S304 oder S404) ist; und Durchdringenlassen des geschmolzenen Metalls (22) in der oberen Kammer (74a) bei angelegtem Druck durch das poröse Filter (54) in die untere Kammer (74b), sodass das geschmolzene Metall (20) mit dem porösen Sinterpressling (20) bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck rasch in Kontakt tritt, gefolgt von dem Ermöglichen, dass die untere Kammer (74b) in einem druckbeaufschlagten Zustand ist, sodass der poröse Sinterpressling (20) bei dem angelegten Druck mit dem geschmolzenen Metall (22) imprägniert wird (S304 oder S404), und worin: der Abkühlungsschritt der Schritt des Abkühlens des porösen Sinterpresslings (20), der mit dem geschmolzenen Metall (22) in der unteren Kammer (74b) in dem druckbeaufschlagten Zustand imprägniert ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfasst: Anordnen des porösen Sinterpresslings (20) und des Metalls (22) jeweils in eine obere und untere Kammer (74a, 74b) eines identen Gefäßes (66), das mittels einem porösen Filter (54) in zwei Kammern geteilt ist, sodass sich die jeweiligen Kammern (74a, 74b) in einem Unterdruckzustand oder in einem Normal-Druckzustand befinden (S301 bis S302 oder S401 bis S402); Erhitzen sowohl der oberen als auch der unteren Kammer (74a, 74b) bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck auf eine vorbestimmte Temperatur, sodass das Metall (22) geschmolzen wird (S303 oder S403); das Ermöglichen, dass sowohl die obere als auch die untere Kammer (74a, 74b) in einem druckbeaufschlagten Zustand (S304 oder S404) sind; und Anheben des Drucks der unter Druck befindlichen oberen Kammer (74a) auf einen höheren Druck als jenen der unteren Kammer (74b) und Durchdringenlassen geschmolzenen Metalls (22) durch den porösen Filter (54) in die untere Kammer (74b), sodass das geschmolzene Metall (22) mit dem porösen Sinterpressling (20) rasch in Kontakt tritt, wonach der poröse Sinterpressling (20) bei dem angelegten Druck mit dem geschmolzenen Metall (22) imprägniert wird, und worin: der Abkühlungsschritt das Abkühlen des porösen Sinterpresslings (20) umfasst, der mit dem geschmolzenen Metall (22) in der unteren Kammer (74b) bei dem angelegten Druck imprägniert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, worin, wenn der als Basismaterial zu verwendende Sinterpressling (20) mit dem zumindest Kupfer enthaltenden geschmolzenen Metall (22) behandelt und imprägniert wird, der Schritt zur Bereitstellung des druckbeaufschlagten Zustands mittels Druckbehandlung erfolgt, die sowohl aufwärts als auch abwärts durchgeführt wird, und der Abkühlungsschritt durch indirekte Abkühlungsbehandlungen in der Nähe der unteren Kammer (74b) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem aus einem Verbundmaterial bestehenden Kühlkörper, wobei das Verbundmaterial einen porösen Sinterpressling (20) umfasst, der mit einem Metall imprägniert ist, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (22) besteht, wobei der poröse Sinterpressling durch Vorkalzinieren eines porösen Körpers mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der unter dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer liegt, erhalten wird, sodass sich eine Netzwerkstruktur ausbildet, wobei das Verhältnis zwischen Kupfer und Kupferlegierung und Verbundmaterial 20 bis 70 Vol.-% beträgt, wobei der poröse Sinterpressling einen mittleren offenen Porendurchmesser von 0,5 bis 50 μm aufweist, sodass das Verbundmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der bei 200 °C unter einem Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt, der basierend auf dem Verhältnis zwischen Kupfer und Kupferlegierung und dem porösen Sinterpressling stöchiometrisch erhalten wird, wobei das Verfahren die Herstellung des Verbundmaterials umfasst, einschließlich folgender Schritte: einen Imprägnierungsschritt, damit ein poröser Sinterpressling (20) als Basismaterial dienen kann, um bei einem Unterdruck oder einem Normal-Druck mit einem Metall in Kontakt zu treten, das zumindest Kupfer (22) enthält, Durchführen einer Wärmebehandlung, um das Metall (22) zu schmelzen und anschließend rasches Imprägnieren des porösen Sinterpresslings (20) mit dem Metall (22) in einem druckbeaufschlagten Zustand; und einen Abkühlungsschritt zum Abkühlen zumindest des porösen Sinterpresslings (20), der mit dem Metall (20) imprägniert ist.
Verfahren nach Anspruch 26, worin der Imprägnierungsschritt folgende Schritte umfasst: Versetzen des porösen Sinterpresslings (20) und des Metalls (22) in einen Unterdruckzustand oder in einen Normal-Druckzustand bei gleichzeitigem miteinander Kontaktieren (S501 bis S502); Erhitzen des porösen Sinterpresslings (20) und des Metalls (22) auf eine vorbestimmte Temperatur bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck, um das Metall (22) zu schmelzen (S503); das Ermöglichen, dass das geschmolzene Metall (22) in einem druckbeaufschlagten Zustand (S504) ist; und rasches Kontaktierenlassen des geschmolzenen Metalls (22) bei angelegtem Druck mit dem porösen Sinterpressling (20) bei dem Unterdruck oder dem Normal-Druck, und Ermöglichen, dass diese in einem druckbeaufschlagten Zustand sind, sodass der poröse Sinterpressling (20) mit dem geschmolzenen Metall (22) bei dem angelegten Druck imprägniert wird (S504), und worin: der Abkühlungsschritt den Schritt des Abkühlens des mit dem geschmolzenen Metall imprägnierten porösen Sinterpresslings (20) bei dem angelegten Druck umfasst.