EP0170867B1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes - Google Patents

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EP0170867B1
EP0170867B1 EP85108013A EP85108013A EP0170867B1 EP 0170867 B1 EP0170867 B1 EP 0170867B1 EP 85108013 A EP85108013 A EP 85108013A EP 85108013 A EP85108013 A EP 85108013A EP 0170867 B1 EP0170867 B1 EP 0170867B1
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molybdenum
powder
sintered
powder mixture
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Georg Werner Dipl.-Phys. Reppel
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0425—Copper-based alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a composite material from copper and at least one of the metals molybdenum and tungsten, in particular as a substrate material for power semiconductors, according to the preamble of patent claim 1.
  • thermally conductive bodies e.g. Copper
  • hard or soft solder interfaces are often used between the various elements to withstand repeated thermal cycling.
  • a break can easily occur during the changing temperature stress, in particular if a high current carrying capacity of the semiconductor arrangement is required.
  • Attempts have also been made to produce a composite material from a sintered combination of powders to form a compensating element US Pat. No. 3,097,329.
  • the surface facing the semiconductor element consists of molybdenum, while the opposite surface, which is in contact with the heat-dissipating body, consists mainly of copper.
  • this element has the low coefficient of expansion of molybdenum, so that this side can be brought together with a semiconductor body almost without thermal stresses, and on the other hand, it has the high coefficient of thermal expansion and the better electrical conductivity of copper.
  • the production of these individual elements with a graded molybdenum content is very complex and, due to the pressing process, only allows a limited shape of the pressed body.
  • the sintered body disadvantageously has a high residual porosity, which lowers the conductivity and means that the compact molded part cannot be subjected to any further deformation to increase the density and increase the strength.
  • US Pat. No. 3,685,134 discloses a method for producing a contact material from an electrically and thermally highly conductive material, such as copper, silver, gold or the like, and a material which is difficult to melt, such as tungsten, titanium, molybdenum, in which these materials in powder form with a particle size of 4 to 20 pm are thoroughly mixed, pressed and sintered in a protective gas atmosphere between 1140 and 1300 ° C. These sintered bodies are then cold-formed by a third of their cross section, then sintered for further compression and easier deformability and then repeatedly rolled and annealed, the cross section being reduced by 10 to 30% with each repetition.
  • the proportion of the material with good electrical conductivity is between 20 and 80% by weight.
  • the contact material produced in this way has a matrix made of the electrically and thermally highly conductive material, in which the difficult-to-melt particles are distributed approximately uniformly and are oriented in the rolling direction. As a micrograph of this contact material shows, the hard-melting particles hardly deform.
  • the coefficient of thermal expansion is never smaller than that of the fiber particles, a certain coefficient of thermal expansion of the composite material can be set on the one hand and the arrangement of the fiber particles on the other by appropriate selection of the fiber material.
  • the composite material can be adapted to the thermal expansion behavior of the semiconductor material.
  • the invention has for its object to develop a method of the type specified in the preamble of claim 1 such that it is easier to implement than the known methods and with which a pronounced fiber structure of the powdery particles can be achieved in the rolling direction.
  • the composite material produced by the method according to the invention differs from the contact material according to US Pat. No. 3,685,134 by a finer and significantly more pronounced fiber structure, as is shown by corresponding micrographs, which is essentially due to the fact that immediately after the sintering process, a hot forming process with a correspondingly high level Cross-sectional reduction takes place, in which not only the electrically and thermally conductive particles, but also the melting particles are deformed. In the known method, apparently only the electrically and thermally conductive particles are deformed, while the melting particles are essentially only distributed and directed.
  • the one according to the invention differs in a much finer distribution and structuring of the particles, which can be attributed to the particles that are many orders of magnitude smaller than the relatively coarse fibers in the conductive matrix.
  • the fibrous microstructure is produced by reshaping from an isotropic starting material, while according to US Pat. No. 3,969,754 the anisotropic material is already produced by embedding fibers in a metallic matrix during the initial shaping.
  • the deformation step to achieve the fiber structure can preferably be carried out by rolling or extruding the compacted body in the temperature range from 500 to 1000 ° C. It is particularly advantageous that the method according to the invention enables the production of any desired semi-finished forms, such as, for example, ribbon and wire.
  • the figure shows a longitudinal section of the structure of a copper-molybdenum powder composite material produced by the method according to the invention in a magnification of 250 times.
  • the alloy systems Cu-Mo, Cu-W and Cu (Mo, W) have little or no mutual solubility at room temperature.
  • Molybdenum has a thermal expansion coefficient a in the temperature range from 20 to 400 ° C of 5.5. 10-6 K- 1 , a thermal conductivity ⁇ at room temperature of 137 W / (K ⁇ m) and a specific electrical resistance p of 5.4 ⁇ Q cm at 20 ° C.
  • Copper has a thermal coefficient of linear expansion a of about 16 - 10- 6 K -1 , a thermal conductivity ⁇ of 380 W / (K - m) and a specific electrical resistance p of 1.7 ⁇ ⁇ cm. Depending on the proportion of the respective components in the powder composite, it is possible to set the desired properties.
  • very fine powders with an average particle size in the range from 1.5 to 6 ⁇ m are used and the sintering is carried out with a liquid copper phase in a reducing sintering atmosphere. With these process conditions, a single sintering step is sufficient to obtain a very high density with a low, closed residual porosity.
  • the subsequent further compaction to an almost pore-free body can take place either by hot isostatic pressing or - at the same time as deformation - by extrusion and / or rolling.
  • the sintered body could not be hot or cold worked because it still had an open porosity.
  • copper-molybdenum compacts were first made from fine powder mixtures (average particle size about 4 ⁇ m) with different copper proportions and then subjected to sintering above a temperature of 1150 ° C. under a hydrogen atmosphere.
  • the precise sintering conditions and the respective densities of the sintered and then deformed body can be found in Table 1.
  • the sintered bodies which had a diameter of 72 mm, were first placed in an 800 mm long tube made of a low-alloy steel alloy, e.g. Steel of grade St37, encapsulated.
  • the wall thickness of the cladding tube was 15 mm.
  • the pipe ends were vacuum-sealed with sealing pieces.
  • the interior was evacuated via a drainage tube fitted in one of the closure pieces and then closed.
  • the encapsulated sintered bolts were then hot-rolled into slabs at a temperature of 830 to 1000 ° C. and then cold-rolled to a strip with a thickness of 2 to 9 mm with a total degree of deformation of at least 50%.
  • An intermediate annealing at 800 ° C was partly inserted between the cold forming steps.
  • the joint deformation of the composite material in a cladding tube has proven to be an extraordinarily favorable method in terms of production technology.
  • the remaining covering material can then be milled or removed for further processing.
  • After an intermediate annealing, which may be necessary, the cross section of the strip can be further reduced without difficulty. Further finishing steps, such as grinding and electroplating, can follow in a known manner.
  • the sizes given in Table 2 for the electrical and thermal conductivity and for the coefficient of linear expansion a in the temperature range from 20 to 400 ° C were measured on finely ground blanks.
  • the composite materials produced by the process according to the invention not only have an extraordinary combination of properties, but also have special process engineering advantages over the production of pure molybdenum or tungsten.
  • molybdenum or tungsten require sintering temperatures of close to 2000 ° C. or above 2500 ° C., while temperatures of approximately 1150 to 1250 ° C. are preferably sufficient for the composite materials according to the invention.
  • Another significant advantage can also be seen in the fact that the temperatures for the deformation step according to the invention do not have to exceed 1000 ° C.
  • the composite materials produced by the method according to the invention are preferably used as substrate material for power semiconductors, where they are in close contact with the semiconductor and the heat-dissipating material.
  • these composite materials are also suitable for all other applications in which high electrical and thermal conductivity and a relatively low coefficient of expansion are important, e.g. for electrodes or contact elements of vacuum switches.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Kupfer und mindestens einem der Metalle Molybdän und Wolfram, insbesondere als Substratmaterial für Leistungshalbleiter, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Beim Inkontaktbringen von Halbleitern, z.B. Silizium, mit wärmeleitfähigen Körpern, z.B. Kupfer, werden häufig Hart- oder Weichlotgrenzflächen zwischen den verschiedenen Elementen verwendet, die wiederholter Temperaturwechselbeanspruchung widerstehen sollen. Bei Werkstoffen mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann hierbei während der wechselnden Temperaturbeanspruchung leicht ein Bruch eintreten, insbesondere wenn eine hohe Stromtragfähigkeit der Halbleiteranordnung gefordert wird.
  • Es besteht daher ein erheblicher Bedarf an Werkstoffen, die in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten dem des Halbleitermaterials angepasst sind gleichzeitig aber eine elektrische Verbindung mit geringem Widerstand ermöglichen. Es ist bereits bekannt, bei Verbindungen von wärmeableitenden Elementen mit Halbleitermaterial, z.B. einer Halbleiterscheibe, Zwischenschichten aus Materialien mit geringem Ausdehnungskoeffizienten, wie z.B. Molybdän oder Wolfram, vorzusehen. Diese Materialien sind aber bezüglich einer optimalen Wärmeableitung weniger geeignet, besitzen einen zu hohen elektrischen Widerstand und sind zudem verhältnismässig teuer.
  • Es ist weiterhin versucht worden, einen Verbundwerkstoff aus einer gesinterten Kombination von Pulvern zur Bildung eines Ausgleichselementes herzustellen (US-PS 3 097 329). Hierbei besteht beispielsweise die dem Halbleiterelement zugewandte Oberfläche aus Molybdän, während die gegenüberliegende in Kontakt mit dem wärmeableitenden Körper stehende Oberfläche hauptsächlich aus Kupfer besteht. Dazwischen sind Pulver mit einem allmählich in den jeweiligen Oberflächenbereich übergehenden Mischungsverhältnis angeordnet. Dieses Element hat auf der einen Seite den niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von Molybdän, so dass diese Seite nahezu ohne Wärmespannungen mit einem Halbleiterkörper zusammengebracht werden kann und auf der anderen Seite den hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die bessere elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Die Herstellung dieser einzelnen Elemente mit graduell abgestuftem Molybdängehalt ist jedoch sehr aufwendig und lässt aufgrund des Pressverfahrens nur eine beschränkte Formgebung des Presskörpers zu. Ferner weist der gesinterte Körper nachteiligerweise eine hohe Restporosität auf, die die Leitfähigkeit herabsetzt und dazu führt, dass das kompakte Formteil keiner weiteren Verformung zur Erhöhung der Dichte und zur Festigkeitssteigerung unterzogen werden kann.
  • Durch die US-PS 3 685 134 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes aus einem elektrisch und thermisch hochleitendem Material, wie Kupfer, Silber, Gold oder dergleichen, und einem schwer schmelzbarem Material, wie Wolfram, Titan, Molybdän, bekannt, bei dem diese in Pulverform mit einer Partikelgrösse von 4 bis 20 pm vorliegenden Materialien innig vermischt, gepresst und in Schutzgasatmosphäre zwischen 1140 und 1300°C gesintert werden. Anschliessend werden diese Sinterkörper um ein Drittel ihres Querschnittes kalt verformt, dann zwecks weiterer Verdichtung und leichterer Verformbarkeit nachgesintert und anschliessend wiederholt gewalzt und geglüht, wobei bei jeder Wiederholung der Querschnitt um 10 bis 30% reduziert wird. Der Anteil des elektrisch gut leitenden Materials liegt hierbei zwischen 20 und 80 Gew.-%. Das auf diese Weise hergestellte Kontaktmaterial besitzt eine Matrix aus dem elektrisch und thermisch hochleitenden Material, in dem die schwer schmelzenden Partikel annähernd gleichmässig verteilt und in Walzrichtung ausgerichtet sind. Wie ein Schliffbild dieses Kontaktmaterials zeigt, findet eine Verformung der schwer schmelzenden Partikel kaum statt.
  • Diese Bedingungen werden erheblich besser erfüllt durch einen Verbundwerkstoff, wie er in der US-PS 3 969 754 beschrieben ist. Bei diesem Verbundwerkstoff sind in einer Matrix aus elektrisch und thermisch hochleitendem Material richtige Fasern aus schwer schmelzendem Material, wie Molybdän, Wolfram, Graphit oder Legierungen aus Eisen, Nickel und Kobalt, eingebettet. Die in der leitenden Matrix eingebetteten Fasern haben hierbei einen Durchmesser von etwa 0,1 mm. Es wurde aufgrund von Versuchen gefunden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient wesentlich von der Anordnung der Faserteilchen in der Matrix abhängt, während die elektrische und thermische Leitfähigkeit dadurch kaum beeinträchtigt werden. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient niemals kleiner ist als der der Faserteilchen, kann durch entsprechende Wahl des Fasermaterials einerseits und die Anordnung der Faserteilchen andererseits ein bestimmter thermischer Ausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffes eingestellt werden. Damit kann z.B. der Verbundwerkstoff dem Wärmeausdehnungsverhalten des Halbleitermaterials angepasst werden. Wünschenswert ist für diese und andere Anwendungszwecke jedoch, dass die Faserteilchen parallel zur Oberfläche des Halbleitermaterials angeordnet sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass es einfacher in der Durchführung ist als die bekannten Verfahren und mit dem eine ausgeprägte Faserstruktur der pulverförmigen Teilchen in Walzrichtung erzielbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen erzielt. Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Im Gegensatz zu dem aus der US-PS 3 097 329 bekannten aus einem massiven Schichtverband bestehenden Verbundkörper weist der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Verbundwerkstoff bzw. ein aus diesem Material bestehender Körper keinen Ausdehnungsgradienten zwischen gegenüberliegenden Kontaktflächen auf.
  • Der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Verbundwerkstoff unterscheidet sich gegenüber dem Kontaktwerkstoff gemäss der US-PS 3 685 134 durch eine feinere und wesentlich ausgeprägtere Faserstruktur, wie entsprechende Schliffbilder zeigen, die im wesentlichen dadurch zustande kommt, dass unmittelbar nach dem Sintervorgang ein Warmverformungsvorgang mit entsprechend hoher Querschnittsverminderung stattfindet, bei dem nicht nur die elektrisch und thermisch leitenden Teilchen, sondern auch die schwerschmelzenden Teilchen verformt werden. Bei dem bekannten Verfahren werden offenbar nur die elektrisch und thermisch leitenden Teilchen verformt, während die schwerschmelzenden im wesentlichen nur verteilt und gerichtet werden.
  • Gegenüber dem in der US-PS 3 969 754 beschriebenen Verbundwerkstoff unterscheidet sich der erfindungsgemässe durch eine wesentlich feinere Verteilung und Strukturierung der Teilchen, was auf die um viele Grössenordnungen kleineren Teilchen zurückzuführen ist, im Vergleich zu den relativ groben Fasern in der leitenden Matrix. Die Erzeugung der fasrigen Gefügestruktur erfolgt bei dem erfindungsgemässen Verfahren durch Umformung aus einem isotropen Ausgangswerkstoff, während gemäss US-PS 3969754 der anisotrope Werkstoff bereits während der Urformung durch Einbetten von Fasern in eine metallische Matrix hergestellt wird.
  • Der Verformungsschritt zur Erzielung der Faserstruktur kann dabei vorzugsweise durch Walzen oder Strangpressen des verdichteten Körpers im Temperaturbereich von 500 bis 1000 °C erfolgen. Es ist von besonderem Vorteil, dass das erfindungsgemässe Verfahren die Herstellung beliebiger Halbzeugformen, wie beispielsweise Band und Draht, ermöglicht.
  • Anhand von einigen Ausführungsbeispielen und einer Figur soll die Erfindung nachstehend noch näher erläutert werden.
  • Die Figur zeigt einen Längsschliff des Gefüges eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kupfer-Molybdän-Pulververbundwerkstoffes in 250-facher Vergrösserung. Die Legierungssysteme Cu-Mo, Cu-W und Cu-(Mo, W) besitzen bei Raumtemperatur keine bzw. nur geringe gegenseitige Löslichkeit. In einem Pulververbund der Komponenten Kupfer mit Molybdän und/oder Wolfram bleiben daher die jeweiligen Eigenschaften im wesentlichen erhalten. So besitzt Molybdän einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten a im Temperaturbereich von 20 bis 400 °C von 5,5 . 10-6 K-1, eine Wärmeleitfähigkeit λ bei Raumtemperatur von 137 W/(K · m) und einen spezifischen elektrischen Widerstand p von 5,4 µ Q cm bei 20 °C. Kupfer besitzt einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten a von etwa 16 - 10-6 K-1, eine Wärmeleitfähigkeit λ von 380 W/(K - m) und einen spezifischen elektrischen Widerstand p von 1,7 µ Ω cm. Je nach Anteil der jeweiligen Komponenten im Pulververbund ist es möglich, die gewünschten Eigenschaften einzustellen.
  • Geeignete Substrat- bzw. Elektrodenwerkstoffe, die in engem Kontakt zu dem Halbleitermaterial stehen, sollen insbesondere folgende Eigenschaften aufweisen:
    • - einen über einen grösseren Temperaturbereich nahezu konstanten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten a < 12 · 10-6 K-1,
    • - eine Wärmeleitfähigkeit, die grösser ist als die von Reinmolybdän oder Reinwolfram
    • - sowie einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht grösser als 5 µ Ω cm.
  • Besonders bevorzugt sind Werkstoffe mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von etwa 8 bis 10 - 10-6 K-1 und'einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2 bis 4 µ Ω cm.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden sehr feine Pulver mit einer im Bereich von 1,5 bis 6 µm liegenden mittleren Teilchengrösse verwendet und die Sinterung mit flüssiger Kupferphase in einer reduzierenden Sinteratmosphäre durchgeführt. Mit diesen Verfahrensbedingungen genügt bereits ein einziger Sinterschritt, um eine sehr hohe Dichte mit einer geringen, geschlossenen Restporosität zu erhalten.
  • Die anschliessende weitere Verdichtung zu einem nahezu porenfreien Körper kann entweder durch heiss-isostatisches Pressen oder - gleichzeitig mit einer Verformung - durch Strangpressen und/oder Walzen erfolgen.
    • Beispiel 1
  • Zur Herstellung eines 40 Gew.-% Molybdän, Rest Kupfer enthaltenden Pulvergemisches wurden 180 g Kupferpulver mit einer mittleren Teilchengrösse von etwa 4 µm und 120 g Molybdänpulver mit einer mittleren Teilchengrösse von etwa 3 µm miteinander in einem Turbula-Schüttelmischer gemischt. Diese Pulvermischung wurde anschliessend in einem elastischen Schlauch isostatisch zu einem Rundstab von etwa 17 mm Durchmesser gepresst, wobei der Pressdruck 2500 bar betrug. Der Presskörper wurde dann einer 1 stündigen Sinterung bei 1050 °C in reinem Wasserstoff unterzogen. Nach der Sinterung betrug die Dichte des Sinterkörpers 8,41 g/cm3, entsprechend etwa 89,5% der theoretischen Packungsdichte.
  • Der Sinterkörper konnte weder warm- noch kaltverformt werden, da er noch eine offene Porosität aufwies.
    • Beispiel 2
  • Mit den im Beispiel 1 genannten Verfahrensbedingungen wurde ein weiterer Presskörper aus 40 Gew.-% Molybdän, Rest Kupfer hergestellt. In Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde der Rundstab jedoch bei 1180°C, also oberhalb der Schmelztemperatur der Kupferkomponente, eine halbe Stunde lang gesintert. Nach der Sinterung betrug die Dichte des Sinterkörpers 9,15 g/cm3, entsprechend einer Porosität unterhalb von etwa 3%. Im ersten Verformungsschritt wurde der Rundstab bei 800 °C vom Ausgangsdurchmesser 17 mm auf 6,5 mm heissgewalzt. Zur weiteren Querschnittsverminderung wurde der Rundstab anschliessend durch Kaltwalzen und Hämmern auf 3 mm reduziert. Untersuchungen an dem hochdichten CuMo40-Verbünd- werkstoff ergaben folgende Eigenschaften (jeweils in Faserrichtung gemessen):
    • spezifischer elektrischer Widerstand: 2,4 ji Q cm
    • thermischer Längenausdehnungskoeffizient: 9,9 · 10-6 K-1
    • im Bereich von 20 bis 100 °C bzw. 9,6 . 10-6 K-1
    • im Bereich von 20 bis 400 °C.
    • Eine Aufnahme des Gefüges des entsprechenden Werkstoffs in 250-facher Vergrösserung ist in der Figur dargestellt. Deutlich ist die durch starke Verformung eingestellte Faserstruktur zu erkennen, wobei es sich um in der Molybdänmatrix gestreckte Kupferteilchen handelt. Eine ergänzende metallographische Analyse des Gefüges ergab eine gleichmässige Verteilung der Komponenten Kupfer und Molybdän.
    Beispiel 1 bis 6
  • Für die folgenden Beispiele wurden zunächst Kupfer-Molybdän-Presskörper aus Feinpulvermischungen (mittlere Teilchengrösse etwa 4 µm) mit unterschiedlichen Kupferanteilen hergestellt und diese dann oberhalb einer Temperatur von 1150 °C einer Sinterung unter Wasserstoffatmosphäre unterworfen. Die genauen Sinterbedingungen sowie die jeweiligen Dichten des gesinterten und anschliessend verformten Körpers lassen sich der Tabelle 1 entnehmen.
    Figure imgb0001
  • Vor der querschnittsverringernden Bearbeitung wurden die Sinterkörper, die einen Durchmesser von 72 mm aufwiesen, zunächst in ein 800 mm langes Rohr aus einer niedriglegierten Stahllegierung, z.B. Stahl der Gütegruppe St37, eingekapselt. Die Wandstärke des Hüllrohres betrug 15 mm. Die Rohrenden wurden mit Verschlussstücken vakuumdicht zugeschweisst. Über ein in einem der Verschlussstücke angebrachtes Abpumpröhrchen wurde der Innenraum evakuiert und dann verschlossen. Anschliessend wurden die gekapselten Sinterbolzen bei einer Temperatur von 830 bis 1000 °C zu Brammen heissgewalzt und dann mit einem Gesamtverformungsgrad von mindestens 50% zu Band mit einer Dicke von 2 bis 9 mm kaltgewalzt. Teilweise wurde zwischen den Kaltverformungsschritten eine Zwischenglühung bei 800 °C eingeschoben.
  • Die gemeinsame Verformung des Verbundwerkstoffes in einem Hüllrohr hat sich als fertigungstechnisch ausserordentlich günstiges Verfahren erwiesen. Für die weitere Bearbeitung kann das verbliebene Hüllmaterial dann abgefräst bzw. abgezogen werden. Nach einer gegebenenfalls zusätzlich durchzuführenden Zwischenglühung lässt sich der Querschnitt des Bandes ohne Schwierigkeiten weiter reduzieren. Weitere Feinbearbeitungsschritte, wie Schleifen und galvanische Beschichtung, können sich in bekannter Weise anschliessen. An feingeschliffenen Ronden wurden die in der Tabelle 2 angegebenen Grössen für die elektrische und thermische Leitfähigkeit und für den Längenausdehnungskoeffizienten a im Temperaturbereich von 20 bis 400 °C gemessen.
  • Figure imgb0002
  • Bei einem Vergleich der in Tabelle 2 zusammengefassten Messergebnisse fällt insbesondere auf, dass sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit der untersuchten Kupfer-Molybdän-Proben den geforderten Eigenschaftswerten für Substratwerkstoffe besonders gut entsprechen. Obwohl die thermische Leitfähigkeit lediglich für das Beispiel 3 gemessen wurde, kann man jedoch für alle untersuchten Verbundwerkstoffe eine entsprechend gute thermische Leitfähigkeit erwarten, da die elektrische und thermische Leitfähigkeit bei metallischen Leitern in enger Beziehung zueinander stehen.
  • Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffe verfügen nicht nur über eine aussergewöhnliche Eigenschaftskombination, sondern weisen gegenüber der Herstellung von reinem Molybdän oder Wolfram auch besondere verfahrenstechnische Vorteile auf. So erfordern Molybdän bzw. Wolfram Sintertemperaturen nahe 2000 °C bzw. oberhalb von 2500 °C, während für die Verbundwerkstoffe gemäss der Erfindung vorzugsweise Temperaturen von etwa 1150 bis 1250 °C ausreichend sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist auch darin zu sehen, dass die Temperaturen für den erfindungsgemässen Verformungsschritt 1000°C nicht überschreiten müssen.
  • Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffe werden vorzugsweise als Substratmaterial für Leistungshalbleiter verwendet, wobei sie in engem Kontakt zu dem Halbleiter- und dem wärmeableitenden Material stehen. Diese Verbundwerkstoffe sind aber auch für alle anderen Anwendungsfälle geeignet, bei denen es auf eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten ankommt, wie z.B. für Elektroden bzw. Kontaktelemente von Vakuumschaltern.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Kupfer und mindestens einem der Metalle Molybdän und Wolfram, insbesondere als Substratmaterial für Leistungshalbleiter, bei dem die in Pulverform vorliegenden Materialien gemischt, zu Formkörpern gepresst und gesintert werden und die gesinterten Körper nachfolgend einer mechanischen Verformung unterzogen werden mit den folgenden Verfahrensschritten:
a) Mischen von Kupferpulver mit Molybdän-und/oder Wolframpulver mit einer mittleren Teilchengrösse unter 10 pm
b) Verdichten des Pulvergemisches
c) Sintern des Pulvergemisches bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer
d) Warmverformen des gesinterten Körpers bei einer Temperatur unterhalb von 1000 °C um mindestens 50% in einem Schritt
e) Kaltverformen des gesinterten Körpers zur weiteren Querschnittsverminderung bis auf Enddimension.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesinterte Körper zum Warmverformen in ein Hüllrohr eingeschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulvermischung aus 30 bis 80 Gew.-% Molybdän und/oder Wolfram, Rest Kupfer, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulvermischung aus 40 bis 65 Gew.-% Molybdän, Rest Kupfer, verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung etwa 53 Gew.-% Molybdän und als Rest Kupfer enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengrösse etwa 1,5 bis 6 11m beträgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverkörper bei einer zwischen 1150 und 1250 °C liegenden Temperatur gesintert wird, wobei die Sinterung wenigstens eine halbe Stunde dauert.
8. Verfahren nach mindestens einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kaltverformungsschritten eine Zwischenglühung bei 800 °C durchgeführt wird.
EP85108013A 1984-07-21 1985-06-28 Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes Expired EP0170867B1 (de)

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