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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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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.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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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.
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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.
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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.
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Im
Allgemeinen gehören
zu den Materialien, die als Material für den Kühlkörper verwendet werden, Metallmaterialien
wie Kupfer und Aluminium mit guter Wärmeleitfähigkeit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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Gemäß vorliegender
Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, wie in
Anspruch 1 dargelegt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereit, wie in Anspruch
9 dargelegt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.-%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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".
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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.
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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.
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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".
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Als
Nächstes
werden unter Bezugnahme auf die 8 und 9 mehrere
modifizierte Ausführungsformen
erklärt,
die den Imprägnierungsschritt des
Herstellungsverfahrens betreffen.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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.
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Als
Nächstes
wird ein Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die 10 bis 15 erklärt.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Herstellungsverfahren, das die modifizierte Ausführungsform betrifft, wird durchgeführt, indem
die in 15 gezeigten Schritte durchgeführt werden.
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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).
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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).
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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.
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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).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Herstellungsverfahren gemäß der dritten
Ausführungsform
wird durchgeführt,
indem die in 17 gezeigten Schritte ausgeführt werden.
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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).
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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).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.