WO1989000339A1 - Flat bodies, in particular for use as heat sinks for electronic power components - Google Patents

Flat bodies, in particular for use as heat sinks for electronic power components Download PDF

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WO1989000339A1
WO1989000339A1 PCT/EP1988/000564 EP8800564W WO8900339A1 WO 1989000339 A1 WO1989000339 A1 WO 1989000339A1 EP 8800564 W EP8800564 W EP 8800564W WO 8900339 A1 WO8900339 A1 WO 8900339A1
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Wolfram Martin
Brigitte Waibel
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Doduco Gmbh + Co. Dr. Eugen Dürrwächter
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Definitions

  • the invention is based on a flat body with the features specified in the preamble of claim 1.
  • Such flat bodies e.g. consist of a thin aluminum oxide plate, which is covered on both sides with a metal plate, are used as heat sinks for electronic power components, e.g. in ignition devices for gasoline engines in automobiles.
  • these bodies must have a high resistance to temperature changes.
  • the resistance to temperature changes in the previously known bodies is inadequate because the coefficients of thermal expansion of the ceramic plate on the one hand and the metal plates on the other hand differ greatly, so that when the temperature changes in the body there are correspondingly rapidly changing tensile and compressive stresses parallel to the surface which can lead to a break in the ceramic plate parallel to the surface (shell break).
  • Insufficient resistance to temperature changes is particularly the case if the metal plates are connected to the ceramic plate without an intermediate layer (Direct
  • the invention has for its object to make flat bodies of the type mentioned with improved thermal shock resistance available.
  • a substrate covered on both sides by metal plates has a considerably increased resistance to temperature changes if the metal plates have edge strips with reduced thickness.
  • the metal plates can be chamfered to form these edge strips, a chamfer at an angle of approximately 20 ° to the surface of the ceramic plate being particularly suitable.
  • the width of the edge strips with reduced thickness is expediently chosen to be 1 to 3 times, preferably 1.5 to 2 times, the thickness of the metal plates.
  • the invention makes it possible to produce bodies which are resistant to high temperature changes and which consist of a thin ceramic plate which are directly connected to metal plates made of a particularly good heat-conductive metal, in particular copper.
  • the disadvantage that known bodies coated in the direct bonding method have compared to soldered bodies with regard to the resistance to temperature changes is more than compensated for in the embodiment of the body according to the invention and thus the area of application of the direct bonding method as a joining method ⁇ continues.
  • the invention can of course also be applied to such sandwiched bodies which have been joined in a different way than in the direct bonding method, in particular by soldering.
  • Aluminum oxide is expediently chosen as the material for the ceramic plates, but it is also possible to use other ceramic materials, in particular aluminum nitride and beryllium oxide.
  • the body as a heat sink for electronic power components, thicknesses between 0.5 mm and 1 mm are best chosen for the ceramic plates as well as for the metal plates.
  • Figure 1 shows a flat body according to the prior art in plan view
  • FIG. 3 shows a top view of a body according to the invention with bevelled metal plates, in FIG. 10
  • FIG. 4 shows the body from FIG. 3 in a side view, in
  • Figure 5 shows a body according to the invention with stepped edges in plan view, and in
  • FIG. 6 shows the body from FIG. 5 in a side view. 20th
  • the body consists of a thin, rectangular ceramic plate 1, on the top of which side a metal plate 2 and on the underside of which a metal plate 3 matching the metal plate 2 is directly connected.
  • the metal plates 2, 3 are also rectangular, somewhat smaller than the ceramic plate 1 and arranged centrally on the ceramic plate 1, so that an edge strip 4 of the ceramic plate protrudes between the metal plates 2 and 3.
  • the thickness of the metal plates 2 and 3 is of the same order of magnitude as the thickness of the ceramic plate 1.
  • the metal plates 2 and 3 are flat cuboids, whereas in the two exemplary embodiments shown in FIGS. 3 to 6 the metal plates have edge strips 5 and 6 with reduced thickness.
  • the edge strip 5 is delimited by inclined surfaces and is formed on all four edges of the metal plates 2 and 3.
  • a step is formed on the two narrow sides of the metal plates 2 and 3, between which the greatest thermal stresses occur, to form the thinner edge strip 6, the thickness of which is less than half that Thickness of the metal plates is.
  • edge strips 5 were chamfered at an angle of 20 ° to the surface of the ceramic plate 1.
  • edge strips 6 were 1.0 mm wide and 0 mm thick. 3 mm formed.
  • a greater number of test specimens were subjected to temperature cycling between -40 ° C and + 110 ° C, with the test specimens at the lower one for 40 minutes each and were kept at the upper temperature and were rearranged between the lower and the upper temperature within a transfer time of at most 10 s.
  • the table below shows the failures in% of test specimens that were observed after thermal load changes.

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Description

FLACHER KÖRPER, INSBESONDERE ZUR VERWENDUNG ALS WÄRMESENKE FÜR ELEKTRONISCHE LEISTUNGSBAUELEMENTE
Die Erfindung geht aus von einem flachen Körper mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merk¬ malen. Solche flachen Körper, welche z.B. aus einer dünnen Aluminiumoxidplatte bestehen, die beidseitig mit je einer Metallplatte bedeckt ist, sind als Wärmesenken für elektronische Leistungsbauelemente, z.B. in Zünd¬ vorrichtungen für Ottomotoren in Automobilen, bekannt. Dort müssen diese Körper eine hohe Temperaturwechsel¬ beständigkeit aufweisen. Die Temperaturwechselbeständig- keit ist bei den bisher bekannten Körpern unzureichend, weil die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik¬ platte einerseits und der Metallplatten andererseits sich stark unterscheiden, so dass bei Temperatur¬ wechseln in dem Körper entsprechend stark wechselnde Zug- und Druckspannungen parallel zur Oberfläche ent¬ stehen, die zu einem Bruch in der Keramikplatte parallel zur Oberfläche (Muschelbruch) führen können. Mangelnde Temperaturwechselbeständigkeit ist insbesondere dann gegeben, wenn die Metallplatten ohne eine Zwischen- schicht mit der Keramikplatte verbunden sind (Direct
Bonding-Verfahren). Eine Zwischenschicht aus einer Lot¬ legierung, die gute Duktilität aufweist, kann die auf¬ tretenden Wärmespannungen teilweise ausgleichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flache Körper der eingangs genannten Art mit verbesserter Temperaturwechselbeständigkeit verfügbar zu machen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch flache Körper mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteil¬ hafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es hat sich gezeigt, dass ein beidseitig von Metall¬ platten bedecktes Substrat eine beträchtlich erhöhte Temperaturwechselbeständigkeit hat, wenn die Metall¬ platten Randstreifen mit verminderter Dicke haben. Zur Ausbildung dieser Randstreifen können die Metall- platten abgeschrägt sein, wobei eine Abschrägung unter einem Winkel von ungefähr 20° zur Oberfläche der Keramikplatte besonders geeignet ist. Vorzugs¬ weise setzt man jedoch Metallplatten ein, deren Dicke am Rand stufenweise vermindert ist, wobei es zur Er- zielung einer wesentlichen Erhöhung der Temperatur¬ wechselbeständigkeit schon ausreicht, die Randstreifen nur einfach abgestuft auszubilden; die Temperatur¬ wechselbeständigkeit kann jedoch noch verbessert werden, wenn man die Dicke der Metallplatten zum Rand hin in mehreren Stufen reduziert. Bei einer nur einfachen Ab¬ stufung empfiehlt es sich, die Dicke des Randstreifens zu 40 % bis 50 %, am besten vorzugsweise ungefähr zu 45 % der Dicke der Metallplatten zu wählen.
Als Breite der Randstreifen mit verminderter Dicke wählt man zweckmässigerweise das 1- bis 3-fache, am besten das 1,5- bis 2-fache der Dicke der Metallplatten.
Die größte Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit erreicht man, wenn man die Metallplatten an allen Rändern, also umlaufend mit Randstreifen verminderter Dicke aus¬ bildet. Will man das beispielsweise aus Gründen einer preiswerteren Fertigung jedoch nicht, dann empfiehlt es sich, die Metallplatten stets an einander entgegengesetzt gerichteten Rändern mit Randstreifen verminderter Dicke auszubilden. Fertigungstechnisch besonders günstig ist es, rechteckige Metallplatten einzusetzen, die an zwei parallelen Rändern abgestuft ausgebildet sind; solche Metallplatten kann man fortlaufend aus einem Metallband herstellen, an dessen beiden Längsrändern die dünneren Randstreifen durch Fräsen gebildet werden und welches anschließend in einzelne Metallplatten zerteilt wird.
Zur Erzielung einer hohen Temperaturwechselbeständigkeit empfiehlt es sich ferner, die Metallplatten auf beiden Seiten der Keramikplatte gleich auszubilden und deckungs¬ gleich anzuordnen, damit die Keramikplatte bei Temperatur¬ wechseln nicht zusätzlich auf Biegung beansprucht wird. Die Erfindung erlaubt es insbesondere, hochtemperatur- wechselbeständige Körper herzustellen, die aus einer dünnen Keramikplatte bestehen, die mit Metallplatten aus einem besonders gut wärmeleitfähigen Metall, ins- besondere aus Kupfer, direkt verbunden sind. Der Nach¬ teil, den bekannte im Direct-Bonding-Verfahren be¬ schichtete Körper gegenüber gelöteten Körpern hin¬ sichtlich der Temperaturwechselbeständigkeit haben, wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Körper mehr als ausgeglichen und damit der Anwendungsbereich des Direct-Bonding-Verfahrens als Fügeverfahren er¬ weitert. Die Erfindung ist aber natürlich auch anwend¬ bar auf solche sandwichartig zusammengefügte Körper, die auf andere Weise als im Direct-Bonding-Verfahren, insbesondere durch Löten zusammengefügt worden sind. Als Werkstoff für die Keramikplatten wird man zweck- mässigerweise Aluminiumoxid wählen, es ist aber auch möglich, andere keramische Werkstoffe, insbesondere Aluminiumnitrid und Berylliumoxid zu verwenden.
In der bevorzugten Verwendung der Körper als Wärmesenke für elektronische Leistungsbauelemente wählt man für die Keramikplatten ebenso wie für die Metallplatten am besten Dicken zwischen 0,5 mm und 1 mm.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist eine Zeich¬ nung beigefügt, die in Figur 1 einen flachen Körper gemäß dem Stand der Technik in der Draufsicht, in
Figur 2 denselben Körper in einer Seitenan- 5 sieht, in
Figur 3 einen erfindungsgemäßen Körper mit ab¬ geschrägten Metallplatten in der Drauf¬ sicht, in 10
Figur 4 den Körper aus Fig. 3 in einer Seiten¬ ansicht, in
Figur 5 einen erfindungsgemäßen Körper mit ab- 15 gestuften Rändern in der Draufsicht, und in
Figur 6 den Körper aus Fig. 5 in einer Seiten¬ ansicht zeigt. 20
Zur Vereinfachung sind in den unterschiedlichen Figuren einander entsprechende Teile mit übereinstimmenden Be¬ zugszahlen bezeichnet.
25 In allen drei Beispielen besteht der Körper aus einer dünnen, rechteckigen Keramikplatte 1, auf deren Ober- seite eine Metallplatte 2 und auf deren Unterseite eine mit der Metallplatte 2 übereinstimmende Metall¬ platte 3 direkt verbunden ist. Die Metallplatten 2, 3 sind ebenfalls rechteckig ausgebildet, etwas kleiner als die Keramikplatte 1 und mittig auf der Keramikplatte 1 angeordnet, so dass zwischen den Metallplatten 2 und 3 ein Randstreifen 4 der Keramikplatte übersteht. Die Dicke der Metallplatten 2 und 3 liegt in derselben Größenordnung wie die Dicke der Keramikplatte 1.
Bei dem dem Stand der Technik angehörenden Körper in den Figuren 1 und 2 sind die Metallplatten 2 und 3 flache Quader, wohingegen bei den in den Figuren 3 bis 6 darge¬ stellten beiden Ausführungsbeispielen die Metallplatten Randstreifen 5 bzw. 6 mit verminderter Dicke haben. Bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungs- beispiel ist der Randstreifen 5 durch Schrägflächen be¬ grenzt und an allen vier Rändern der Metallplatten 2 und 3 ausgebildet. Bei dem in den Figuren 5 und 6 darge- stellten Ausführungsbeispiel ist an den beiden Schmal¬ seiten der Metallplatten 2 und 3, zwischen denen die größten WärmeSpannungen auftreten, zur Bildung des dünneren Randstreifens 6 jeweils eine Stufe ausgebildet, deren Dicke weniger als die Hälfte der Dicke der Metallplatten beträgt.
Zur Beleuchtung des technischen Fortschrittes sind nach¬ stehend die Ergebnisse von Vergleichsversuchen ange- geben, die mit Körpern durchgeführt wurden, weil sie in den Abbildungen 1 bis 6 dargestellt sind.
In allen Fällen wurden Aluminiumoxidkeramikplatten mit den Maßen
Länge 23,2 mm
Breite 13,2 mm
Dicke 0,635 mm
verwendet, die mit Kupferplatten mit den Maßen
Figure imgf000009_0001
im Direct-Bonding-Verfahren beschichtet waren.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3 und 4 waren die Randstreifen 5 unter einem Winkel von 20° zur Oberfläche der Keramikplatte 1 abgeschrägt, im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5 und 6 waren Randstreifen 6 mit einer Breite von 1,0 mm und einer Dicke von 0,3 mm gebildet. Eine größere Anzahl von Prüflingen wurde einer Temperaturwechselbeanspruchung zwischen -40°C und +110°C unterworfen, wobei die Prüflinge jeweils 40 Minuten lang bei der unteren und bei der oberen Temperatur gehalten wurden und binnen einer Umlagerzeit von höchstens 10 s zwischen der unteren und der oberen Temperatur umgelagert wurden.
Die nachstehende Tabelle gibt die Ausfälle in % von Prüflingen an, die nach thermischen Lastwechseln be¬ obachtet wurden.
Figure imgf000010_0001

Claims

Patentansprüche;
1. Flacher Körper, insbesondere zur Verwendung als
Wärmesenke für elektronische Leistungsbauelemente, bestehend aus einer Keramikplatte (Substrat) , welche beidseitig von Metallplatten bedeckt ist, die auf ihrer gesamten Auflagefläche fest mit der Keramikplatte ver¬ bunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatten (2, 3) Randstreifen (5, 6) mit verminderter Dicke haben.
2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Metallplatten (2, 3) ohne eine Zwischen¬ schicht mit der Keramikplatte (1) verbunden sind.
3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf beiden Seiten der Keramikplatte ange¬ brachten Metallplatten (2, 3) deckungsgleich angeordnet sind.
4. Körper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich- net, dass die auf beiden Seiten der Keramikplatte angebrachten Metallplatten (2, 3) gleich ausgebildet sind.
5. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatten (2, 3) aus Kupfer bestehen.
6. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstreifen (5) der Metallplatten (2 , 3) abgeschrägt sind.
7. Körper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstreifen (5) unter einem Winkel von ungefähr 20° zur Oberfläche der Keramikplatte (1) abgeschrägt sind.
8. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstreifen (6) der
Metallplatten (2, 3) abgestuft sind.
9. Körper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstreifen (6) einfach abgestuft sind und ihre Dicke 40 % bis 50 %, vorzugsweise ungefähr 45 % der Dicke der Metallplatten (2, 3) beträgt.
10. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Breite der Rand- streifen (5, 6) mit verminderter Dicke das 1- bis 3-fache, vorzugsweise das 1,5- bis 2-fache der Dicke der Metall¬ platten (2, 3) beträgt.
11. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metall¬ platten (2, 3) sowie der Keramikplatte (1) 0,5 mm bis 1 mm beträgt.
PCT/EP1988/000564 1987-07-03 1988-06-27 Flat bodies, in particular for use as heat sinks for electronic power components WO1989000339A1 (en)

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