DE60021514T2

DE60021514T2 - Einen verbundwerkstoff verwendendes halbleiterbauteil oder wärmeableitendes substrat dafür

Info

Publication number: DE60021514T2
Application number: DE2000621514
Authority: DE
Inventors: Akira Itami-shi FUKUI; Shinichi Itami-shi YAMAGATA; Kazuya Itami-shi KAMITAKE; Yugaku Itami-shi ABE
Original assignee: Fukui Akira Itami; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Fukui Akira Itami; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: TWI229063B; JP4360061B2; EP1114807A1; WO2000076940A1; DE60021514D1; US6737168B1; KR20010079642A; EP1114807A4; EP1114807B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Komposit- bzw. Verbundmaterial für verschiedene Bauteile, Vorrichtungen, Geräte und Apparate, insbesondere ein Kompositmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient (coefficient of thermal expansion, nachfolgend bezeichnet mit CTE), wobei sich dieses Material u.a. für ein die Wärme ableitendes Substrat von Halbleiterbauteilen eignet.
Stand der Technik
Seit kurzem sind die Markterfordernisse zur schnelleren Computerisierung und höheren Integration von Halbleiterbauteilen (verschiedenen Bauteilen mit Halbleiterelementen; diese sollen nachfolgend als solche bezeichnet sein) rasch angestiegen. Gleichzeitig ist ein die Wärme ableitendes bzw. verteilendes Substrat zur Montage eines Halbleiterelements (jenes wird nachfolgend ganz einfach als Wärme-ableitendes Substrat bezeichnet) für ein Halbleiterbauteil nachgefragt worden, um dessen Wärmeleitfähigkeit zu steigern, um die von dem Element erzeugte Wärme effektiver abzuleiten und zu verteilen. Das Substrat sollte auch einen CTE aufweisen, der viel näher an demjenigen des Halbleiterelements sowie der weiteren Teilstücke des Bauteils (der Außenteile) in Nachbarschaft zum Substrat liegt, um die thermische Belastung zwischen dem Substrat und dem Halbleiterelement und zwischen dem Substrat und den Außenteilen noch weiter zu verringern. Spezifisch weisen Si und GaAs, die gewöhnlich als Halbleiterelement verwendet werden, einen CTE von 4,2·10^–6/°C bzw. von 6,5·10^–6/°C auf. Eine Keramik aus Aluminiumoxid, die gewöhnlich als Umhüllungsmaterial von Halbleiterbauteilen verwendet wird, weist einen CTE von ca. 6,5·10^–6/°C auf. Daher sollte ein die Wärme ableitendes Substrat einen CTE in der Nähe dieser Werte aufweisen.
Mit der in den letzten Jahren ablaufenden deutlichen Ausbreitung der Anwendungsgebiete elektronischer Vorrichtungen läuft eine weitere Diversifizierung der Anwendungsgebiete und Leistungsdaten von Halbleiterbauteilen ab. Insbesondere verschärfen sich die Markterfordernisse für Halbleiter-Energiebauteile, wie für Wechselstromwandler mit hohem Ausstoß und für Frequenzwandler. In derartigen Bauteilen entwickelt ein Halbleiterelement eine Wärme von nicht weniger als die mehrfache bis einige dutzendfache Wärmemenge eines Halbleiterspeichers oder LSI; ein solches Halbleiterelement erzeugt gewöhnlich einige 10 Watt. Daher sollten Wärme-ableitende Substrate für diese Bauteile eine deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit und einen CTE aufweisen, welche viel enger an denjenigen der Außenteile liegen. Zur Erfüllung dieser Erfordernisse weisen Halbleiter-Energiebauteile eine unten beschriebene Grundstruktur auf. Erstens, wird ein Si-Halbleiterelement auf einem ersten Wärme-ableitenden Substrat aus einer Aluminiumnitrid (nachfolgend auch einfach bezeichnet als AlN)-Keramik angeordnet, die sich bei der elektrischen Isolierungsqualität und der Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Zweitens, wird ein zweites Wärme-ableitendes Substrat aus hoch Wärme-leitfähigem Metall, wie aus Kupfer oder Aluminium, unter dem ersten Wärme-ableitenden Substrat angeordnet. Schließlich wird ein Radiator, der mit Luft oder Wasser gekühlt werden kann, unter dem zweiten Wärme-ableitenden Substrat angeordnet. Die erzeugte Wärme wird mit einer solchen Struktur prompt nach außen abgeleitet. Daher soll das zweite Wärme-ableitende Substrat die aus dem ersten Wärme-ableitenden Substrat aufgenommene Wärme prompt zum Radiator darunter leiten. Dies bedeutet, dass es für das zweite Wärme-ableitende Substrat wesentlich ist, nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sondern auch einen CTE aufzuweisen, der eng an demjenigen des ersten Wärme-ableitenden Substrats liegt. In spezifischer Weise soll das zweite Wärme-ableitende Substrat einen so kleinen CTE wie 6·10^–6/°C oder weniger aufweisen.
Ein derartiges Wärme-ableitendes Substrat ist aus einer Kompositlegierung hergestellt worden, die z.B. hauptsächlich aus W oder Mo besteht. Der Nachteil dieser Substrate beruht allerdings darauf, dass sie schweres Gewicht aufweisen sowie hohe Kosten wegen der teuren Materialien verursachen. Zur Lösung dieses Problems haben in letzter Zeit verschiedene Aluminium- (nachfolgend auch einfach bezeichnet als Al)-Legierungen als Material Beachtung gefunden, das leicht an Gewicht sowie niedrig bei den Kosten ist. Insbesondere sind Al-SiC-basierte Kompositmaterialien, die hauptsächlich aus Al und Siliziumcarbid (nachfolgend einfach als SiC bezeichnet) bestehen, vergleichsweise niedrig bei den Materialkosten, leicht an Gewicht und hoch bei der Wärmeleitfähigkeit. Ein Rein-Al-Einzelkörper und ein Rein-SiC-Einzelkörper, die ganz allgemein am Markt verfügbar sind, weisen eine Dichte von ca. 2,7 bzw. von ca. 3,2 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 240 W/m·K bzw. von ca. 200 bis ca. 300 W/m·K auf. Ein Rein-SiC-Einzelkörper und ein Rein-Al-Einzelkörper weisen einen CTE von ca. 4,2·10^–6/°C bzw. von ca. 24·10^–6/°C auf. Die Einstellung des Bestandteilverhältnisses von SiC zu Al ergibt einen breiten CTE-Bereich. Sie sind daher in dieser Hinsicht von Vorteil.
Als Ergebnis, sind verschiedene Kompositmaterialien aus Al und Keramik unter besonderem Augenmerk auf eine Al-SiC-basierte Zusammensetzung entwickelt worden. Beispielsweise offenbaren die veröffentlichten Japanischen Patentanmeldungen Tokukaihei 8-222 660, Tokukaihei 8-330 465, Tokuhyohei 1-501 489 und Tokukaihei 2-243 729 Erfindungen, in denen Kompositmaterialien mit einem Infiltrationsverfahren oder einem Gießverfahren hergestellt werden. Eine weitere veröffentlichte Japanische Patentanmeldung Tokukaihei 9-157 773 offenbart eine Erfindung, worin ein Kompositmaterial durch Heiß-Pressen eines Formkörpers aus Mischpulvern erzeugt wird. US 5 006 417 offenbart ein Kompositmaterial, worin Si zu einer Al-SiC-basierten Zusammensetzung zugefügt ist. Das Kompositmaterial weist eine Metallmatrix auf, worin ein in der Metallmatrix unlösliches Verstärkungsmaterial verteilt vorliegt. Beispielsweise wird ein Al-SiC-Si-basiertes Kompositmaterial mit SiC und Si verstärkt. Die Aufgabe jener Erfindung ist es, ein Bauteil mit leichtem Gewicht bereitzustellen, das als Sandwich zwischen einer Kunststoff-Glas-basierten Schaltkreistafel mit einem großen CTE und einem Keramik-Bauteil mit einem kleinen CTE angeordnet wird, um auf der Tafel montiert zu werden. Das Bauteil mit einem leichten Gewicht soll einen Zwischen-CTE zwischen den beiden CTEs aufweisen. Das Kompositmaterial jener Erfindung weist eine niedrige Dichte, einen kleinen CTE, eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine gute Dimensionsstabilität und eine gute Formbarkeit auf. Ein typisches Kompositmaterial, das in der Erfindung genannt ist, umfasst eine Matrix aus 40 bis 60 Vol.-% Al, worin 10 bis 40 Vol.-% Si, das ein Halbmetall ist, und 10 bis 50 Vol.-% SiC verteilt sind. Allerdings weist die bevorzugte Ausführungsform (die in Tabelle 1 angegebene Probe jener Erfindung), enthaltend Al in einer Menge von 45 bis 55 Vol.-% (die Gew.-% sind so ziemlich die gleichen), einen CTE von in etwa 8 bis 9·10^–6/°C auf. Deshalb kann nicht gesagt werden, dass das Kompositmaterial einen CTE nahe dem von Keramik aufweist, welche einen CTE von in etwa 3 bis 6·10^–6/°C aufweist. Das Kompositmaterial wird durch Verfestigung eines Mischpulvers aus den vorgenannten Bestandteilen bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metallbestandteils erhalten. Gemäß 2 jener Erfindung kann vermutet werden, dass ein Al-SiC-Si-basiertes Material ein Kompositmaterial mit einem CTE von 6·10^–6/°C oder weniger ergibt, wenn die Menge von SiC oder Si ca. 70 Vol.-% oder mehr ausmacht. In jener Erfindung wird ausgesagt, dass mit der Al-SiC-Si-basierten Zusammensetzung ein Kompositmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit bis zu ca. 120 W/m·K erzeugt werden kann, falls eine angemessene Zusammensetzung ausgewählt wird, obwohl die angemessene Zusammensetzung nicht genannt ist. Weitere Forscher und Ingenieure haben Materialien untersucht, die mit einem Flüssigphase-Sinterverfahren erhalten wurden. Ein Kompositmaterial, worin das Al durch Cu ersetzt ist, ist aus den vorgenannten Gründen ebenfalls von Nachteil. In der vorliegenden Erfindung werden die oben beschriebenen Materialien nachfolgend als Kompositmaterialien der ersten Gruppe bezeichnet.
Wie oben beschrieben, weisen diese Erstgruppen-Kompositmaterialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Weil allerdings Al und Cu einen großen CTE aufweisen, kann ein Kompositmaterial mit einem CTE von so wenig wie ca. 6·10^–6/°C nicht erhalten werden, falls die Menge des SiC, das einen kleinen CTE aufweist, nicht erhöht wird. Der Anstieg der Menge des SiC, das allerdings eine hohe Härte aufweist, erschwert die Bildung eines Pulvers und das Sintern eines daraus gebildeten Formkörpers. Außerdem sollten in den letzten Jahren die Kompositmaterialien eine komplizierte Form, wie eine Flossenform, aufweisen. Diese Typen verbrauchen viel Zeit und Aufwand für die Endbearbeitung.
Andererseits sind Kompositmaterialien aus Silizium (Si), das einen kleinen CTE und ein leichtes Gewicht im Vergleich mit den Erstgruppen-Kompositmaterialien aufweist, und aus Siliziumcarbid (SiC) entwickelt worden. Beispielsweise offenbart die veröffentlichte Japanische Patentanmeldung Tokukaihei 5-32 458 ein Si-SiC-basiertes Kompositmaterial für ein Bauteil zur Stützung des Rohmaterials für die Bildung eines Si- oder eines weiteren Halbleiterelements, wenn das Rohmaterial beim Herstellverfahren hitzebehandelt wird. Das Kompositmaterial wird durch Infiltrieren von geschmolzenem Si in einen porösen Körper erhalten, der durch Sintern eines hochreinen SiC-Pulvers mit einem Eisengehalt von 5 ppm oder weniger bei einer Temperatur von 1.500 bis 2.300°C erzeugt wird. Über ein weiteres Si-SiC-basiertes Kompositmaterial, das bis zu ca. 70 Vol.-% SiC enthält, wird in Advanced Structural Inorganic Composites (1991), S. 421-427, berichtet. Das Kompositmaterial wird durch Reaktionssintern eines Formkörpers aus einer Mischung aus hoch reinen SiC-Pulvern und hoch reinen Kohlenstoff (C)-Pulvern erhalten. Tabelle II in dieser Literatur gibt ein Kompositmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit an, die so hoch wie 186,6 W/m·K ist. Allerdings ist kein Bericht gefunden worden, welcher ein Beispiel belegen würde, worin diese Kompositmaterialien auf ein die Wärme ableitendes Substrat oder auf weitere Teile von Halbleiterbauteilen angewandt werden. In der vorliegenden Erfindung werden diese Kompositmaterialien hierin nachfolgend als die Zweitgruppen-Kompositmaterialien bezeichnet.
US-A-3 951 587 betrifft einen Erhitzungsofen und Komponenten davon.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Probleme zu lösen, die die Erstgruppen-Kompositmaterialien aufweisen, sowie die Zweitgruppen-Kompositmaterialien so zu verbessern, dass beide Kompositmaterialien wirkungsvoll als Teile von Halbleiterbauteilen einzusetzen sind.
Demzufolge wird durch die vorliegende Erfindung ein Halbleiterbauteil oder ein Wärme-verteilendes Substrat dafür bereitgestellt, wobei das genannte Bauteil oder Substrat ein Teilstück bzw. Teilglied aus einem Kompositmaterial umfasst, das aufweist:

(a) eine Struktur, umfassend: (a1) eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aus Keramik, wobei die Struktur Zwischenräume einschließt, und (a2) einen Halbmetall-haltigen Bestandteil, der durch Abscheidung nach seinem Schmelzen erzeugt ist, wobei der genannte Bestandteil die Zwischenräume füllt;
(b) einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 6·10^–6/°C oder weniger; und
(c) eine Wärmeleitfähigkeit von 150 W/m·K oder mehr.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Darstellung, die noch ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Darstellung, die noch ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Darstellung, die noch ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine Darstellung, die noch ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Darstellung, die noch ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine Darstellung, die noch ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine Darstellung, die einen Radiator zur Verwendung im Halbleiterbauteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10 ist eine Darstellung, die ein Wärme-ableitendes Substrat zur Verwendung im Halbleiterbauteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ist eine Darstellung, die ein Gehäuse und eine Kappe zur Verwendung im Halbleiterbauteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
12 ist eine Darstellung, die ein Gehäuse und einen Deckel zur Verwendung im Halbleiterbauteil einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Erläuterung der Bezugsziffern

1: Wärme-ableitendes Substrat
2: Packungskörper
3: hoch Wärme-leitfähige Kunststoffschicht
4: Halbleiterelement
5: Bindungsschicht
6: Matrizen-Befestigungsteilstück
7: Verbindungsdraht
8: metallischer Führpin
9: Kappe
10: Lötkugel
11: Polyimid-Band
12: Kupferfolien-Schaltkreis
13: Stützring
14: Schaltkreissubstrat
15: Harz
16: Führungsrahmen
17: Isolierfilm
18: Formharz
19: Aluminium-Flosse
20: Siliconharz
21: Radiator
22: erstes Substrat
23: Gehäuse
24: Deckel
25: Loch

Ausgestaltung 1
Das Kompositmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten Bestandteil und einen zweiten Bestandteil. Der erste Bestandteil, der eine Keramik umfasst, bildet eine dreidimensionale Netzwerkstruktur. Der zweite Bestandteil, der ein Halbmetall enthält, füllt die Zwischenräume des Netzwerkes. Der zweite Bestandteil kann, zusätzlich zum Halbmetall, eine Verbindung, die durch Metall und den ersten Bestandteil gebildet ist, und eine Legierung oder eine Verbindung enthalten, die durch Metall, Halbmetall und den ersten Bestandteil gebildet sind. In diesem Fall liegt zumindest ein Bestandteil, der im zweiten Bestandteil enthalten ist, in der Form seiner Abscheidung nach dem Schmelzen vor. Das Kompositmaterial wird durch das folgende Verfahren erhalten, z.B.: Zuerst wird ein poröser Körper, der hauptsächlich aus Keramikpartikeln besteht, als der erste Bestandteil gebildet. Zweitens, wird der poröse Körper so angeordnet, dass er in Kontakt mit dem zweiten Bestandteil gelangt. Drittens, werden der poröse Körper und der zweite Bestandteil auf eine Temperatur von nicht weniger als dem Schmelzpunkt von mindestens einem Bestandteil im zweiten Bestandteil erhitzt, um die Poren des porösen Körpers aus Keramik mit der geschmolzenen Flüssigkeit des zweiten Bestandteils zu füllen.
In der keramischen dreidimensionalen Netzwerkstruktur liegen gemäß der vorliegenden Erfindung Keramikpartikel teilweise in innigem Kontakt mit einander vor. Dennoch können Bestandteile, die sich von der Keramik unterscheiden, die den prinzipiellen Bestandteil darstellt, am innigen Kontaktbereich zwischen den Keramikpartikeln vorliegen. Beispielsweise liegt in einer SiC-Si-basierten Zusammensetzung Si am innigen Kontaktbereich zwischen SiC- Partikeln vor. Kleinere Keramikpartikel im Kompositmaterial können sich mit größeren Partikeln bei der Stufe der unten beschriebenen Vorsinterung vor der Infiltration oder bei der Stufe der Infiltration vereinigen. Als Ergebnis steigt in einer SiC-Si-basierten Zusammensetzung z.B. der endgültige Durchschnittsdurchmesser von SiC an. Die Zwischenräume der Netzwerkstruktur füllen sich mit dem zweiten Bestandteil. Das in den zweiten Bestandteil eingeschlossene Halbmetall, das damit gemeinsam vorliegende Metall oder beide liegen in der Form ihrer Abscheidung nach dem Schmelzen vor.
Ein Beispiel des ersten Bestandteils, der gemäß der vorliegenden Erfindung in das Kompositmaterial eingeschlossen wird, ist eine Keramik, die hauptsächlich aus einem Material wie Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumnitrid (AlN) und aus Bornitrid (BN) besteht. Die Keramik soll einen CTE von 5·10^–6/°C oder weniger und eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das Halbmetall ist aus denjenigen Elementen ausgewählt, die in der Gruppe 3b oder 4b des Periodensystems enthalten sind (diese werden auch als Halbmetalle bezeichnet). Beispiele der ausgewählten Halbmetalle sind Silizium (Si), Germanium (Ge), Kohlenstoff (C; Diamant oder Graphit), Bor (B) und deren Mischungen. Das Halbmetall soll einen CTE von 8,5·10^–6/°C oder weniger und eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein Beispiel der Bestandteile, die sich vom vorgenannten Halbmetall im zweiten Bestandteil unterscheiden, ist ein Metallmaterial, das hauptsächlich aus einem Metall wie Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Mangan (Mn), Wolfram (W) und Molybdän (Mo) besteht. Das Metallmaterial soll eine Wärmeleitfähigkeit von 140 W/m·K oder mehr aufweisen.
Im Kompositmaterial ist es gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht, dass die die dreidimensionale Netzwerkstruktur bildenden Keramikpartikel einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 30 μm oder mehr aufweisen. Beträgt der Durchschnittspartikeldurchmesser weniger als 30 μm, wird durch die Grenzfläche zwischen den Partikeln die Wärmestreuung gesteigert, wodurch die Wärmeleitfähigkeit spürbar absinkt.
Es ist erwünscht, dass gemäß der vorliegenden Erfindung der erste Bestandteil Siliziumcarbid (SiC) einschließt, das besonders niedrig bei den Kosten und hoch bei der Wärmeleitfähigkeit unter den vorgenannten Keramiken ist. SiC weist eine Dichte von 3,2 g/cm³ (was ein leichtes Gewicht bedeutet) und eine Wärmeleitfähigkeit von in etwa 200 bis 300 W/m·K auf, was einen ausgezeichneten Wert unter Keramiken darstellt. SiC weist einen CTE von ca. 4,2·10^–6/°C auf, was so ziemlich den gleichen Wert wie denjenigen eines Si-Halbleiterelements und eines AlN-Keramiksubstrats darstellt, auf dem das Element direkt montiert wird.
Enthält der Keramikbestandteil SiC als Hauptbestandteil, ist es erwünscht, dass die Menge des SiC im Kompositmaterial 50 Gew.-% oder mehr beträgt. Diese Menge erzeugt gewöhnlich ein Kompositmaterial mit einer so hohen Wärmeleitfähigkeit wie 200 W/m·K oder mehr. Macht die Menge weniger als 50 Gew.-% aus, wird es schwierig, die Form des porösen Körpers vor der Infiltration beizubehalten. Zudem ist es erwünscht, dass die Menge des SiC 90 Gew.-% oder weniger beträgt. Macht die Menge mehr als 90 Gew.-% aus, sinkt die Porosität ab, wodurch es für die geschmolzene Substanz im zweiten Bestandteil erschwert wird, die Infiltration durchzuführen.
Es ist erwünscht, dass der Halbmetall-Bestandteil des Kompositmaterials in der vorliegenden Erfindung Silizium ist. Unter Halbmetallen weist Silizium eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und einen kleinen CTE auf.
Im Fall eines Si-SiC-basierten Kompositmaterials, dessen zweiter Bestandteil das Halbmetall Si ist, gibt es praktisch keinen Unterschied des CTE zwischen dem Kompositmaterial und einem Si-Halbleiterelement und zwischen dem Kompositmaterial und einem Keramiksubstrat. Als Folge davon erzeugt die Bindung zwischen diesen Komponenten selten Deformationen oder Beschädigungen, die durch thermische Belastungen verursacht würden. Außerdem ist, unabhängig vom Bestandteilsverhältnis von Si zu SiC, ein Kompositmaterial mit einem ähnlichen CTE, der gewöhnlich so klein wie in etwa 4·10^–6/°C ist, erhältlich. Allerdings weist Si eine Wärmeleitfähigkeit auf, die so niedrig wie in etwa 145 W/m·K ist. Daher ist es schwierig, ein Kompositmaterial mit einer extrem hohen Wärmeleitfähigkeit wie von mehr als 300 W/m·K zu erhalten, welche mit einer Al-SiC- oder mit einer Cu-SiC-basierten Zusammensetzung erhältlich ist. Nichts destoweniger ist ein Si-SiC-basiertes Kompositmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 150 W/m·K oder mehr gewöhnlich verfügbar.
Durch Herabsetzung der Menge an Verunreinigungen im Material auf 1 Gew.-% oder weniger lässt sich ein Kompositmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit erzeugen. Hierbei sind die Hauptbestandteile z.B. SiC und Si im Fall einer SiC-Si-basierten Zusammensetzung und SiC, Si und Al im Fall einer SiC-Si-Al-basierten Zusammensetzung; die Verunreinigungen sind Sauerstoff und Übergangsmetallelemente (auch bezeichnet als Kation-Verunreinigungen), welche sich von den Hauptbestandteilen unterscheiden. Bezüglich dieser Verunreinigungen ist es besonders wünschenswert, dass die Menge der Eisengruppe-Elemente (Fe, Ni und Co) in den Keramikpartikeln auf 100 ppm oder weniger herabgesetzt ist. Somit lässt sich durch die Herabsetzung der Menge an Verunreinigungen in den Bestandteilen ein Kompositmaterial mit einer extrem hohen Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/m·K erzeugen.
Durch die Auswahl von Si als Zweitbestandteil und die einhergehende Auswahl von Si₃N₄, AlN oder von BN anstatt SiC des Erstbestandteils lässt sich ebenfalls ein Kompositmaterial mit Eigenschaften erzeugen, die denjenigen des SiC-Si-basierten Kompositmaterials ähneln. Allerdings weist Si₃N₄ eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit (gewöhnlich von in etwa 100 bis 150 W/m·K) als SiC auf; AlN weist eine niedrigere mechanische Festigkeit als SiC auf (gewöhnlich 50 bis 60 % derjenigen von SiC); und die Materialkosten von BN sind hoch. Daher sind diese gegenüber SiC für die durch die vorliegende Erfindung beabsichtigte Verwendung von Nachteil. Dennoch ist Si₃N₄ überlegen bei der mechanischen Festigkeit (gewöhnlich beträgt dessen Biegefestigkeit das 1,5- bis 2-Fache derjenigen von SiC); AlN weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen kleinen CTE auf; und die beiden besitzen auch ausgezeichnete elektrische Isoliereigenschaften. Andererseits weist BN nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit (gewöhnlich 500 W/m·K oder mehr), sondern auch einen kleinen CTE (gewöhnlich von in etwa 4·10^–6/°C) und eine hohe mechanische Festigkeit auf (gewöhnlich beträgt dessen Biegefestigkeit das 1,5- bis 2-Fache von derjenigen des SiC). Falls diese Merkmale genutzt werden, können sie geeignete Materialien für praktische Anwendungen ergeben.
Wie vorher beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Zweitbestandteil des Kompositmaterials, zusätzlich zum Halbmetall, einen Metallbestandteil, wie Al, Cu, Ag, Au und Mn, enthalten. Weist das Halbmetall einen hohen Schmelzpunkt auf, wie dies bei Si und B der Fall ist, kann die Zugabe dieser Metallbestandteile die Infiltrationstemperatur des Zweitbestandteils herabsetzen, was die Infiltration erleichtert. Allerdings steigert eine übermäßige Zugabe dieser Metallbestandteile den CTE des Kompositmaterials. Daher ist es erwünscht, dass die Zugabemenge 20 Gew.-% oder weniger des Gesamtgewichts des Kompositmaterials und noch erwünschter 10 Gew.-% oder weniger beträgt, in Abhängigkeit vom Typ und der Menge des eingesetzten Halbmetalls. Andererseits sind W und Mo hoch Wärme-leitfähig und weisen einen niedrigen CTE auf. Sie stellen daher wünschenswerte Bestandteile des Zweitbestandteils dar; allerdings haben sie einen hohen Schmelzpunkt. Als Ergebnis, werden sie als der Zweitbestandteil zusammen mit dem Halbmetall und dem Metall verwendet, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als W und Mo aufweisen. Sie werden auch als Additiv verwendet, das vorab in kleinen Mengen zum Pulver des Erstbestandteils gegeben wird, wie bereits vorher beschrieben.
Das in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangende Herstellverfahren des Kompositmaterials wird nun beschrieben. Es ist erwünscht, als Material ein keramisches Pulver zu verwenden, das eine hohe Reinheit (in erwünschter Weise von 99,9 % oder mehr) und einen Kristalltyp aufweist, der bei der Wärmeleitfähigkeit überlegen ist. Verunreinigungen, wie Übergangsmetalle (Kation-Verunreinigungen), Sauerstoff und Stickstoff, beeinträchtigen die Wärmeleitung, die von Fononen in der Keramik durchgeführt wird. Werden z.B. SiC, Si₃N₄, AlN oder BN als der Erstbestandteil verwendet, ist es erwünscht, ein Material auszuwählen, das nur eine kleine Menge an Übergangsmetall-Verunreinigungen (die auch als Kation-Verunreinigungen bezeichnet werden) wie Eisengruppe-Elemente (Fe, Ni und Co), Sauerstoff und Stickstoff enthält, welche alle die Wärmeleitfähigkeit verringern (es ist erwünscht, dass jede Verunreinigung nur in einer Gewichtsmenge vorhanden ist, die so klein wie 100 ppm oder weniger ist). Bei Verwendung von SiC als Erstbestandteil ist es erwünscht, einen Kristalltyp, wie den 6H- oder 4H-Typ, auszuwählen, welcher intrinsisch bei der Wärmeleitfähigkeit überlegen ist. Bei Verwendung von Si₃N₄ als Erstbestandteil ist es erwünscht, einen β-Kristalltyp auszuwählen, der bei der Wärmeleitfähigkeit überlegen ist. Es ist nicht notwendig, Sintermittel, die verwendet werden, um eine eng gepackte Struktur zu erhalten, im Fall gewöhnlicher Keramik-Sinterkörper zuzufügen. Sintermittel setzen die intrinsische Wärmeleitfähigkeit der Keramiken herab. Aus dem gleichen wie oben beschriebenen Grund ist es erwünscht, dass der Zweitbestandteil ein Halbmetall und ein zugefügtes Metall nach Bedarf umfasst, die beide nur wenige Verunreinigungen, wie Sauerstoff und Stickstoff, enthalten, eine hohe Reinheit (gewöhnlich von 99,9 % oder mehr) und einen Kristalltyp aufweisen, der bei der Wärmeleitfähigkeit überlegen ist.
Das Kompositmaterial kann gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem folgenden Verfahren erhalten werden: Erstens, wird ein poröser Körper aus einem Pulver des Erstbestandteils erzeugt. Zweitens, wird mindestens ein Bestandteil des Halbmetalls und des Metalls, die beide den Zweitbestandteil darstellen, geschmolzen. Schließlich füllt der geschmolzene Zweitbestandteil die Poren des porösen Körpers. Das Pulver des Erstbestandteils kann, zusätzlich zum Keramikpulver, einen Anteil des Bestandteils einschließen, der das Halbmetall und das Metall umfasst, die beide den Zweitbestandteil darstellen. Dies ist als Infiltrationsverfahren durch Vor-Vermischung bekannt. Dieses Verfahren ist besonders wirkungsvoll, um (a) die Formgestalt eines geformten Körpers beizubehalten, wenn der Erstbestandteil eine kleine Menge des Keramikbestandteils einschließt, wobei das Porenvolumen ansteigt, und um (b) die Benetzbarkeit zwischen dem geschmolzenen Bestandteil und den Keramikpartikeln zu steigern, wenn der Zweitbestandteil die Infiltration durchführt. Wird beispielsweise Kohlenstoff (C) in den Erstbestandteil aus Si vorab zugemischt, erzeugt eine Reaktion an der Grenzfläche zwischen den 2 Elementen SiC, und es wird die Infiltration von Si ausgefällt. Die Vor-Vermischung von C steigert das Schmiervermögen des Mischpulvers, wodurch das Bildungsverfahren erleichtert wird. Der Erst-, Zweitbestandteil oder beide können, nach Bedarf, eine kleine Menge von Metallbestandteilen enthalten, die die Benetzbarkeit der geschmolzenen Bestandteile zum Zeitpunkt der Infiltration ansteigen lassen (die entsprechende Menge beträgt vorzugsweise weniger als 1 Gew.-%, was sich gewöhnlich nicht nachteilig auf die Wärmeleitfähigkeit auswirkt). Umfasst das Keramikpulver des Erstbestandteils eine Mischung aus 2 Typen von Pulvern mit unterschiedlicher Korngröße, wird die Masse-Dichte des Mischpulvers größer als diejenige eines Einzelpulvers, und es wird die Komprimierbarkeit bei der Formung erhöht. Insbesondere wenn der Durchschnittspartikeldurchmesser und die in Gewicht ausgedrückte Menge der zu vermischenden Pulver so eingestellt werden, dass das Verhältnis des größeren zum kleineren Durchschnittsdurchmesser in einen Bereich von 1:5 bis 1:15 und das Verhältnis des Gewichts des Pulvers mit einem größeren Durchschnittsdurchmesser zum Gewicht des Pulvers mit einem kleineren Durchschnittsdurchmesser in einen Bereich von 2:1 bis 4:1 fallen, ist ein geformter Körper mit einer Formungsdichte von 60 % oder mehr leicht erhältlich. Sogar in diesem Fall weisen die gemischten Keramikpulver einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 30 μm oder mehr auf. Beträgt der Durchschnittspartikeldurchmesser weniger als 30 μm, steigern die Grenzflächen zwischen den Partikeln das Auftreten einer Wärmestreuung, wodurch durch ein Absinken der Wärmeleitfähigkeit erleichtert wird. Diese Einstellung der Korngröße kann in der Form des Materialpulvers, der Körner, die durch Zugabe eines organischen Binders erzeugt werden, oder durch beides durchgeführt werden.
Die Bildung des Pulvers des Erstbestandteils wird mit einem bekannten Bildungsverfahren unter Verwendung eines geeigneten organischen Binders durchgeführt. Die Formgestalt kann relativ leicht und einfach vor der Infiltration ausgeprägt werden. Beispielsweise kann eine Metallform die Formgestalt zum Zeitpunkt der Bildung ergeben; ein Mahlvorgang kann ebenfalls die Formgestalt bei der Stufe eines porösen Körpers nach der Entfernung des Binders erzeugen. Die Porosität des porösen Körpers, welche die Infiltrationsmenge des Zweitbestandteils bestimmt, kann innerhalb eines ziemlich breiten Bereichs durch Steuerung der Bildungsdichte und der Menge des Binders variiert werden. In den Materialien schließt gemäß der vorliegenden Erfindung der poröse Keramikkörper fast keine Sintermittel ein, und der Zweitbestandteil weist einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Sinter-Schrumpftemperatur der Keramik auf. Daher tritt fast keine Schrumpfdeformation zum Zeitpunkt der Infiltration auf. Sogar ein poröser Körper mit großer Größe oder komplizierter Form wird nur kaum deformiert, und es ist ein in Netz-Form infiltrierter Körper leicht zugänglich. Beim Sinterverfahren, wobei der Erst- und Zweitbestandteil vor der Sinterung vermischt werden, kann eine Schrumpfdeformation leicht beim Sintern auftreten. Das Infiltrationsverfahren ist gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Sinterverfahren im Hinblick auf das oben Gesagte deutlich vorteilhaft. Außerdem wird durch Einschluss eines Halbmetalls die maschinelle Bearbeitbarkeit sogar nach der Infiltration im Vergleich mit den vorher beschriebenen Erstgruppe-Kompositmaterialien signifikant verbessert.
Falls erforderlich, kann ein poröser Körper aus dem Erstbestandteil in einen Druckbehälter gegeben werden, um mit dem geschmolzenen Zweitbestandteil unter Druck infiltriert zu werden. Im Infiltrationsverfahren kann zur Verminderung vielflächiger Ausblühungen des Zweitbestandteils eine vorbestimmte Fläche des porösen Körpers aus dem Erstbestandteil durch eine Vor-Bildung eines dünnen Keramikfilms (einer Ausblüh-Verhinderungsschicht) geschützt werden, die keine Benetzbarkeit mit dem geschmolzenen Zweitbestandteil aufweisen. Somit ist ein infiltrierter Körper, der frei von Ausblühungen an der gebildeten Fläche ist, erhältlich. Wird beispielsweise ein infiltrierter Körper mit komplizierter Form, wie dargestellt in 9 oder 11, erzeugt, vermag die Bildung dieser Schutzschicht an der Fläche, die sich von der Bodenfläche mit ihrer Größe von 100·150 mm unterscheidet, das Ausblühen des Zweitbestandteils am flossen- oder schachtelförmigen Teilstück zu verhindern. Dies verringert die Zeit und den Auswand zur Entfernung von Ausblühungen deutlich. Nach der Entfernung des organischen Binders durch Erhitzen, kann der Formkörper in einer nicht-oxidativen Atmosphäre gewöhnlich bei einer Temperatur von in etwa 1.000 bis 1.800°C vor der Infiltration vor-gesintert werden, um die Porosität einzustellen oder die Handhabung zu erleichtern.
Das Kompositmaterial weist gemäß der vorliegenden Erfindung einen CTE auf, der so klein wie 6·10^–6/°C ist. Als Folge davon kann, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung ein Teilstück aus dem Kompositmaterial an ein Si-Halbleiterelement oder an ein Teil- bzw. Gliedstück eines Halbleiterbauteils mit einem kleinen CTE, wie an Keramik, W oder Mo, gebunden wird, ein Wärmedesign mit einer bisher nicht möglich gewesenen hohen Zuverlässigkeit leicht erstellt werden. 1 bis 7 zeigen Beispiele von Strukturen von Halbleiterbauteilen (bekannt als Keramikpackungen), die Keramikteilstücke und ein Wärme-ableitendes Substrat aus Keramik umfassen. Das Kompositmaterial eignet sich gemäß der vorliegenden Erfindung für Teilstücke dieser Bauteile. Die prinzipiellen Teile in den Figuren sind ein Wärme-ableitendes Substrat 1, ein Packungskörper 2 (auch bezeichnet als Umhüllungsmaterial), hauptsächlich bestehend aus Keramik, ein Halbleiterelement 4 und eine Bindungsschicht 5. In den in 1 und 7 dargestellten Keramikpackungen sind das Halbleiterelement 4 auf der einen Seite des Packungskörpers 2 und das Wärme-ableitende Substrat 1 auf der anderen Seite des Packungskörpers 2 direkt an den Packungskörper mit der individuellen Bindungsschicht gebunden. In den in 2 bis 6 dargestellten Keramikpackungen ist das Halbleiterelement 4 direkt an das Wärme-ableitende Substrat 1 mit der Bindungsschicht 5 gebunden. 8 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Halbleiterbauteils für ein Energie-Modul zeigt, für welches gemäß der vorliegenden Erfindung das Kompositmaterial besonders geeignet ist. In 8 sind erste Substrate 22, auf denen Halbleiterbauteile 4 montiert sind, beispielsweise in 2 Reihen und 3 Säulen angeordnet, obwohl diese nicht klar dargestellt sind. Eingabe/Ausgabeleitungen für die Halbleiterelemente sind in 8 weggelassen. In 1 bis 8 sind die weiteren Teilstücke ein Matrize-Befestigungs-Teilstück 6, Bindungsdrähte 7, metallische Führpins 8, eine Kappe 9, Lötkugeln 10, ein Polyimid-Band 11, Kupferfolie-Schaltkreise 12, ein Stützring 13, ein Schaltkreissubstrat 14, ein Harz 15, ein Führungsrahmen 16, Isolierfilme 17, ein Form-Harz 18, eine Aluminium-Flosse 19, ein Siliconharz 20, ein Radiator 21 sowie erste Substrate 22 auf dem zweiten Wärme-ableitenden Substrat 1.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Kompositmaterials in diesen Packungen als ein Wärme-ableitendes Substrat oder als ein Packungskörper ist das Herstelldesign für die Bindungsschicht zwischen dem Kompositmaterial und einem weiteren Teilstück extrem einfach. Wie z.B. in 1 und 7 dargestellt, wird, bei Anordnung einer elektrischen Isolierkeramik zwischen einem Halbleiterelement und einem Wärme-ableitenden Substrat als Grundstruktur, durch die erfindungsgemäße Verwendung des Kompositmaterials als ein Wärme-ableitendes Substrat 1 und die damit einhergehende Verwendung einer Keramik aus Aluminiumoxid als Packungskörper 2 die Differenz beim CTE an den 2 Bindungsgrenzflächen herabgesetzt, durch welche der vom Halbleiterelement erzeugte Wärmefluss fließen muss. Als Folge davon kann eine herkömmliche Bindungsschicht, die eine laminierte Schicht aus mehreren unterschiedlichen Materialien oder aus einer dicken Schicht zur Verringerung der thermischen Belastung, zu einer Einzelschicht oder einer dünnen Schicht abgeändert werden. Das gleiche gilt für die in 2 bis 6 dargestellten Packungen, in denen ein Halbleiterelement direkt an ein Wärme-ableitendes Substrat mit einer Bindungsschicht gebunden ist.
8 zeigt eine Energie-Modul-Struktur, die besonders groß unter den vorgenannten Bauteilen ist und eine schwere elektrische und thermische Belastung im Einsatz zeigt und ergibt. Die Struktur dieses Energie-Modul wird im Folgenden beschrieben:

(a) ein Radiator 21 wird am Boden vorgelegt;
(b) ein erstes Substrat 22 aus einer elektrisch isolierenden Keramik wird an ein zweites Wärme-ableitendes Substrat 1 mit einer Bindungsschicht (einer Hartlot-Materialschicht) gebunden;
(c) ein Kupfer- oder Aluminiumfolie-Schaltkreis 12, nicht dargestellt in 8, wird an das erste Substrat 22 mit einer weiteren Bindungsschicht (einer aus verschiedenen Typen metallisierter Schichten, einer Hartlot-Materialschicht, einer Kupfer-Kupferoxid-Eutektikum-Schicht usw.) gebunden; sowie
(d) ein Halbleiterelement 4 wird an den Schaltkreis mit noch einer weiteren Bindungsschicht (gewöhnlich mit einer Weichlot-Schicht) angeschlossen.

In dieser Struktur wird, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung z.B. das Substrat 1 auf dem Radiator von der herkömmlichen Kupferplatte zum Kompositmaterial abgeändert und das erste Substrat 22 aus einer AlN-Keramik zusammengesetzt sind, nahezu keine Wärmebelastung zwischen den beiden Substraten bei der Montage und im Einsatz ausgeübt. Als Ergebnis, kann die Bindungsschicht zwischen den beiden Substraten eine so dünne Dicke wie 100 μm oder weniger und insbesondere eine bisher nicht möglich gewesene dünne Schicht wie 50 μm oder weniger aufweisen. Ferner können, weil mit dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial ganz leicht ein Erzeugnis auch mit einer komplizierten Form hergestellt werden kann, alle Teile, wie der unterste Radiator, der auf dem Wärme-ableitenden Substrat fixierte Packungskörper und die über dem Packungskörper angebrachte Kappe als Einheitsstruktur ausgebildet werden. Werden andererseits der Radiator, das Wärme-ableitende Substrat, das zweite Wärme-ableitende Substrat, das Gehäuse, die Kappe usw. mit dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial getrennt erzeugt und durch Bindung an einander zusammengebaut, können die Bindungsteilbereiche eine so dünne Dicke wie 100 μm oder weniger aufweisen oder so extrem dünn wie 50 μm oder weniger sein.
Beispiel 1
Proben mit den Erst- und Zweitbestandteilen werden zubereitet. Der Erstbestandteil aus der in Tabelle 1 angegebenen Keramik wurde für jede Probe zubereitet. Die Keramik wies eine Reinheit von 99 % oder mehr auf und enthielt insgesamt 500 ppm oder weniger Übergangsmetallelemente als Verunreinigungen (der Fe-Gehalt betrug 50 ppm oder weniger) und 1 Gew.-% oder weniger Sauerstoff als Verunreinigung. Der Zweitbestandteil in der Form eines Pulvers oder Klumpens aus einem Halbmetall, einem Metall oder aus beiden, angegeben in Tabelle 1, wurde für jede Probe zubereitet. Das Halbmetall und das Metall wiesen eine Reinheit von 99 % oder mehr und einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 20 μm in der Pulverform auf. Beim Zweitbestandteil wurde das Pulver eingesetzt, als das Material vor-gemischt wurde, und es wurden Klumpen eingesetzt, als das Material als Infiltriermittel eingesetzt wurde. Das Silizium (Si)-Pulver wies einen α-Kristall-Typ und einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 3 μm auf. Das Siliziumcarbid (SiC)-Pulver wies einen 6H-Kristall-Typ auf und wurde durch Vermischen eines Pulvers mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 70 μm und eines Pulvers mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 5 μm in einem Gewichtsverhältnis des ersteren zum letzteren von 3:1 zubereitet (der entstandene Durchschnittspartikeldurchmesser betrug ca. 54 μm). Das Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Pulver wies einen β-Kristall-Typ und einen Durchschnittspartikeldurchmesser von 3 μm auf. Im Fall des Bor (B)-Pulvers, verwendet in den Proben 17 und 25, des Graphit-Pulvers, verwendet in Probe 18, und des Wolfram (W)-Pulvers, verwendet in Probe 26, wurde das Gesamtvolumen jedes Pulvers vorab dem als Erstbestandteil verwendeten SiC-Pulver zugemischt. Im Fall des Silizium (Si)-Pulvers, verwendet in den Beispielen 5 bis 9 und 12, wurde ein Teilvolumen jedes Pulvers vorab dem SiC-Pulver zugemischt. Das Gesamtvolumen des Si im endgültigen Komposit ist in der Spalte "Zusammensetzung" der Spalte "infiltrierter Körper" in Tabelle 1 angegeben. Das vor-vermischte Teilvolumen ist durch die Zahlenangabe in der Spalte "Halbmetall" in Tabelle 1 ausgedrückt. Die Zahlenangabe ist als der Prozentsatz des Gesamtgewichts des infiltrierten Körpers ausgedrückt.
3 Gewichtsteile Paraffinbinder wurden zu 100 Gew.-Teilen Pulver des Erstbestandteils gegeben. Der Binder und das Pulver wurden in einer Kugelmühle in Ethanol vermischt. Die erhaltene Aufschlämmung wurde sprüh-getrocknet, um Körner zu erzeugen. Die Körner wurden zu Scheiben von 100 mm Durchmesser und 3 mm Dicke in einer Trocken-Presse geformt. Der Formungsdruck betrug 686 MPa für Probe 1, 392 MPa für Probe 2 und 196 MPa für die weiteren Proben. Die geformten Körper wurden bis auf 400°C unter einem Vakuum von 1,33 Pa zur Entfernung des Binders erhitzt. Danach wurden einige der Formkörper an der Atmosphäre und bei der Temperatur, die beide in der Spalte "Vor-Sinterung" der Tabelle 1 angegeben sind, 1 h lang gesintert, um die Handhabung zu erleichtern und ebenfalls die Porosität geringfügig einzustellen. Die weiteren Formkörper, bei denen die Spalte "Vor-Sinterung" leer ist, wurden keiner Vor-Sinterung unterzogen.
Die im Zweitbestandteil verwendeten Pulvertypen sind in der Spalte "Zweitbestandteil" der Tabelle 1 angegeben. Zuerst wurden die Pulver für den Zweitbestandteil, der aus einer Vielzahl von Bestandteilen bestand, mit dem in der Spalte "Zusammensetzung" der Spalte "infiltrierter Körper" in Tabelle 1 angegebenen Gewichtsverhältnis eingewogen. Die eingewogenen Pulver wurden in einem V-Typ-Mischer in der Trockene vermischt. Danach wurde das Pulver des Zweitbestandteils ganz grob gemäß dem und im Hinblick auf das Volumen der Poren des aus dem Erstbestandteil hergestellten entsprechenden porösen Körpers gewogen. Das Pulver wurde zu einer Scheibe von 100 mm Durchmesser in einer Trocken-Presse geformt, um das Infiltriermittel für den entsprechenden porösen Körper zu erhalten. Für jeden porösen Körper wurde ein Überzug aus einem TiN-Pulver, dispergiert in Ethanol, auf die Flächen aufgebracht, die sich von der Fläche für den Kontakt mit dem Infiltriermittel unterschied, worauf das Ganze getrocknet wurde. So wurde eine dünne Ausblüh-Verhinderungsschicht aus dem TiN-Pulver gebildet.
Jeder dieser porösen Körper wurde auf entsprechende Infiltriermittel aus dem Zweitbestandteil in einen Infiltrationsofen gelegt. Die Poren des porösen Körpers wurden mit dem Infiltriermittel in der Atmosphäre und bei der Temperatur befüllt, die beide in der Spalte "Infiltration" der Tabelle 1 angegeben sind. Die Proben 28 bis 31 wurden durch Einbringen des gleichen Formkörpers wie von Probe 9 in einen Druck-Behälter hergestellt und unter Druck mit Si unter einem mechanischen Druck von 29 MPa in einem Vakuum von 0,13 Pa und bei der in Tabelle 1 angegebenen Temperatur infiltriert. Die weiteren Proben wurden drucklos unter der Atmosphäre und bei der Temperatur, die beide in Tabelle 1 angegeben sind, unter der jeweiligen Atmosphäre infiltriert. Die drucklose Infiltration wurde zum Erhalt der in der Spalte "infiltrierter Körper" in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung mit dem unten beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die Bestandteile, die zum Zeitpunkt der drucklosen Infiltration schmolzen, waren Si für die Proben 1 bis 9, 19, 24, 26 und 27, Ge für Probe 16, Al und Si für die Proben 10 bis 12, 20 und 21 (diese Gruppe ist bezeichnet mit Gruppe 1), Al für die Proben 13, 17, 18 und 25 (diese Gruppe wird bezeichnet mit Gruppe 2), Si und Cu für die Proben 14 und 22 (diese Gruppe wird bezeichnet mit Gruppe 3) sowie Si und Ag für die Proben 15 und 23 (diese Gruppe wird bezeichnet mit Gruppe 4). Als Konsequenz davon wurde die Infiltrationstemperatur für die zur jeweiligen Gruppe gehörenden Proben so bestimmt, dass der Schmelzpunkt des infiltrierenden Bestandteils überschritten wurde, wie dies in Tabelle 1 angegeben ist. Die Infiltrationstemperatur wurde 30 min lang gehalten. Im Fall der Gruppen 1, 3 und 9 wurde die Infiltrationstemperatur 30 min lang zuerst bei einer geringfügig höheren Temperatur als derjenigen des Schmelzpunkts von Al, Cu bzw. Ag gehalten und dann auf die in Tabelle 1 angegebene Temperatur erhöht.
Die geschmolzene Substanz des Zweitbestandteils blühte an derjenigen Fläche nicht aus, auf welcher eine Ausblüh-Verhinderungsschicht ausgebildet war. Sie blühte lediglich an der Bodenfläche aus, die in Kontakt mit dem Infiltriermittel stand. Fast keine Schrumpfung, Verzerrung und Beschädigung wurde an den Proben nach der Infiltration festgestellt. Nachdem die von Ausblühungen freien Flächen einer Endbearbeitung durch Sandstrahlen unterzogen waren, wurde die von einer Ausblühung des Zweitbestandteils kontaminierte Fläche einer Endbearbeitung mit einem Mahlwerkzeug unterzogen, um die Ausblühung zu beseitigen. Die endgültig gefertigten individuellen Proben wiesen Abmessungen auf, die nahezu den angestrebten glichen.
Obwohl in Tabelle 1 nicht angegeben, wurden die gleichen SiC-Formkörper wie bei Probe 4 separat hergestellt. Bei einer als Probe 4' bezeichneten Probe wurde der Binder mit dem gleichen Verfahren wie bei Probe 4 entfernt, und die Vor-Sinterung wurde bei 1.800°C 1 h lang durchgeführt, um einen porösen SiC-Körper zu erhalten. Bei einer weiteren als Probe 4'' bezeichneten Probe wurde der Binder auf ähnliche Weise entfernt, und die Vor-Sinterung wurde bei 2000°C 1 h lang in einem Argon-Gas bei 101,3 KPa durchgeführt, um einen porösen SiC-Körper zu erhalten. Der erstere wurde mit Si bei 1.800°C in einem Argon-Gas bei 1,33 Pa infiltriert. Die als Proben 4' und 4'' erhaltenen infiltrierten Körper waren beide aus 25 Gew.-% und 75 Gew.-% SiC zusammengesetzt.
Alle Proben, einschließlich der Proben 4' und 4'', wurden gemäß der relativen Dichte, der Wärmeleitfähigkeit und des CTE bewertet. Die relative Dichte ist das Verhältnis der gemessenen Dichte, erhalten mit der Unterwassermethode, zur theoretischen Dichte. Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit der Laser-Blitzmethode gemessen. Der CTE wurde mit der Differenzialtransformiermethode an einem stabförmigen Specimen gemessen, das mit dem gleichen Verfahren wie dem für die jeweilige Probe angewandten getrennt hergestellt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
Obwohl nicht in Tabelle 1 angegeben, wurde die Menge an Verunreinigungen, d.h. von Sauerstoff und Übergangsmetallelementen, im infiltrierten Körper durch chemische Analyse gemessen. In jeder Probe betrug die Gesamtmenge dieser Verunreinigungen 0,5 Gew.-% oder weniger, die Menge der Übergangsmetallelemente betrug 300 ppm oder weniger, bezogen auf die Gesamtmenge der Elemente, und die Menge von Eisen betrug 40 ppm oder weniger, bezogen auf die Elemente.
Der Durchschnittspartikeldurchmesser der Keramikpartikel des Erstbestandteils wurde im infiltrierten Körper gemessen. Das Ergebnis betrug 72 μm für die Proben 1 bis 18, 4', 4'' und 26 bis 31 sowie 3 μm für die Proben 19 bis 25. Der Durchschnittspartikeldurchmesser wurde mit der folgenden Methode erhalten. Erstens, wurde ein Mikrofoto eines Bruchabschnitts der Probe unter einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) bei der Energie 100 aufgenommen. Zweitens, wurden 2 Diagonallinien im Gesichtsfeld gezogen. Drittens, wurden die Größen der von den Diagonallinien durchschnittenen Partikel abgelesen. Schließlich ergab das arithmetische Mittel der Größen den Durchschnittspartikeldurchmesser.
Die Proben 4' und 4'' wiesen beide eine relative Dichte von 100 %, k einen CTE von 3,85·10^–6/°C und eine Wärmeleitfähigkeit von 235 W/m·K auf.
Obwohl in Tabelle 1 nicht angegeben, wurde die Hauptoberfläche jeder Probe mit Nickel in einer Dicke von 3 μm plattiert. Ein Si-Halbleiterelement wurde an die plattierte Schicht durch eine Ag-Sn-basierte Lötschicht in einer Dicke von 90 μm gebunden. Die Proben wurde einem Wärmezyklus-Test unterzogen, in welchem eine Probe zuerst bei –60°C 30 min lang und dann bei 150°C 30 min lang gehalten wurde, worauf dieser Zyklus 1.000 Mal wiederholt wurde. Bei der Anordnung mit der Probe 13, die einen großen CTE aufwies, begann sich das Halbleiterelement beim 500. Zyklus abzutrennen. Dagegen blieb, bei den Anordnungen mit dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial mit einem CTE von 6·10^–6/°C oder weniger, die Bindung zwischen dem Halbleiter und dem Kompositmaterial frei von Problemen, und dies sogar nach dem 1.000. Zyklus.
Die erhaltenen Ergebnisse können wie folgt interpretiert werden:

(1) Im Fall eines porösen Körpers des Erstbestandteils aus hauptsächlich Keramik, wie aus SiC mit einem CTE von 5·10^–6/°C oder weniger, ist, wenn das Volumen der Poren eingestellt und die Poren entweder mit einem Halbmetall mit einem CTE von 8,5·10^–6/°C oder weniger oder mit einer Mischung aus dem vorgenannten Halbmetall und einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von 140 W/m·K oder mehr gefüllt werden, ein Kompositmaterial erhältlich, das einen so kleinen CTE wie 6·10^–6/°C oder weniger mit einer so hohen Wärmeleitfähigkeit wie 150 W/m·K oder mehr vereinigt.
(2) Bestehen die Keramik aus SiC und das Halbmetall aus Si, ist ein Kompositmaterial mit einem CTE von 5·10^–6/°C oder weniger in einem breiten Bereich der Mengen dieser Bestandteile erhältlich. Beträgt die Menge von SiC 50 Gew.-% oder mehr, ist insbesondere ein Kompositmaterial mit einer so hohen Wärmeleitfähigkeit wie 200 W/m·K oder mehr erhältlich.
(3) Im Fall einer Al-SiC-Si-basierten Zusammensetzung ist, wenn die Al-Menge 10 Gew.-% oder weniger beträgt, ein Kompositmaterial mit einem CTE von 6·10^–6/°C oder weniger erhältlich.
(4) Im Fall einer Anordnung, worin ein Si-Halbleiterelement direkt an das erfindungsgemäß verwendete Kompositmaterial mit einem CTE von 6·10^–6/°C oder weniger gebunden ist, weist, sogar wenn das Element durch eine bisher nicht möglich gewesene dünne Lötschicht gebunden ist, das gebundene Teilstück eine genügend hohe Zuverlässigkeit auf. Daher bietet ein aus dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial hergestelltes Substrat eine hoch zuverlässige Halbleiter-Bauteilvorrichtung, worin ein Si-Halbleiterelement direkt an das Substrat gebunden ist.
(5) Ein Formkörper aus einem Pulver aus hauptsächlich dem Erstbestandteil und der durch Sintern des Formkörpers erhaltene poröse Körper zeigen und ergeben nahezu keine Schrumpfung nach der Infiltration mit dem Zweitbestandteil. Daher ergibt das Infiltrationsverfahren nahezu ein vollkommenes Kompositmaterial, ausgenommen die Fläche, an welcher der Zweitbestandteil ausblüht.

Beispiel 2
SiC-Pulver mit variierenden Durchschnittspartikeldurchmessern und Mengen an Verunreinigungen, welche in Tabelle 2 angegeben sind, wurden zubereitet, und es wurden die gleichen Si-Pulver wie die in Beispiel 1 verwendeten zubereitet. Scheibenförmige Formkörper mit der gleichen Größe wie in Beispiel 1 wurden mit einem ähnlichen Verfahren wie dem in Beispiel 1 erzeugt. Die Formkörper wurden bei 400°C in einem Vakuum von 1,33 Pa erhitzt, um den Binder zu entfernen, worauf sie bis auf 1.800°C im gleichen Vakuum erhitzt und bei 1.800°C 1 h lang gehalten wurden. Als Nächstes wurden die Formkörper bei 1.600°C in einem Vakuum von 1,33 Pa gehalten, um Kompositmaterialien aus hauptsächlich 25 Gew.-% Si und 75 Gew.-% SiC zu erhalten.
Die Proben wurden der gleichen Bewertung wie in Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben:
Die für die SiC-Si-basierten Kompositmaterialien erhaltenen Ergebnisse können wie folgt interpretiert werden:

(1) Die Herabsetzung der Menge an Verunreinigungen auf 1 Gew.-% oder weniger ergibt ein Kompositmaterial mit einer so hohen Wärmeleitfähigkeit wie über 200 W/m·K.
(2) Die Herabsetzung der Menge an Übergangsmetallelementen auf 1.000 ppm oder weniger und insbesondere der Menge der Eisengruppe-Elemente auf 100 ppm oder weniger ergibt ein Kompositmaterial mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit.

Außerdem wurden Kompositmaterialien mit der gleichen Zusammensetzung wie in Probe 19 des Beispiels 1, welche AlN als Erstbestandteil aufweist, und Kompositmaterialien mit der gleichen Zusammensetzung wie Probe 21 des Beispiels 1, welche Si₃N₄ als den Erstbestandteil aufweist, mit variierenden Mengen an Verunreinigungen im Pulver des Erstbestandteils erzeugt. Die erhaltenen Bewertungsergebnisse zeigten, dass die Auswirkungen der Gesamtmenge an Verunreinigungen und der Menge an Übergangsmetallelement-Verunreinigungen eine ähnliche Tendenz aufweisen wie diejenige in der vorgenannten SiC-Si-basierten Zusammensetzung.
Beispiel 3
Flossenförmige Teilstücke als Radiatoren, dargestellt in 9, plattenförmige Teilstücke als Wärme-ableitende Substrate, dargestellt in 10, behälterförmige Teilstücke als Gehäuse, dargestellt in 11, und deckelförmige Teilstücke als Kappen, dargestellt in 11, wurden als Teilstücke von Energie-Modulen mit Kompositmaterialien mit den gleichen Zusammensetzungen wie in den Proben 2 bis 6, 11, 13, 20, 22, 25, 28 und 29 der Tabelle 1 erzeugt. Das in
9 dargestellte Teilstück entspricht dem Radiator 21 in 8, das in 10 dargestellte Teilstück entspricht dem Basisplatte-Teilstück in 8, und 11 entspricht dem Gehäuseteilstück und dem Kappenteilstück in 8. Das in 9 dargestellte flossenförmige Teilstück wurde mit dem folgenden Verfahren erzeugt: Erstens, wurde ein wässriges Lösungsmittel zu mit dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellten Körnern gegeben, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Zweitens, wurde die Aufschlämmung in eine Gips-Form gegossen und 3 Tage lang getrocknet. Drittens, wurde der getrocknete Körper aus der Form entnommen und mit einem Trockenmühle-Schneidwerkzeug bearbeitet, um die endgültige Formgestalt des Formkörpers zu erhalten. Der Formkörper des in 11 dargestellten gehäuseförmigen Teilstücks (1) wurde mit dem folgenden Verfahren erzeugt: Erstens, wurden Körner des Erstbestandteils, die mit dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt wurden, in eine Gummi-Form gegeben, um eine isostatische Formung durchzuführen. Zweitens, wurde der Binder unter der gleichen Bedingung wie in Beispiel 1 entfernt. Drittens, wurde der Formkörper mit einem Trockenmühle-Schneidwerkzeug maschinell bearbeitet, um eine der Endform ähnliche Formgestalt zu erhalten. Die in 10 und 11 (2) dargestellten plattenförmigen Formkörper wurden mit dem folgenden Verfahren erzeugt: Erstens, wurden ein Cellulose-Binder und Wasser zu einem Pulver des Erstbestandteils gegeben, um in einem Kneter vermischt und verknetet zu werden. Der Knetkörper wurde zu einer Platte in einem Extruder geformt. Die Platte wurde auf eine spezifizierte Länge geschnitten, und der Binder wurde unter der gleichen Bedingung wie in Beispiel 1 entfernt.
Jeder erhaltene Formkörper wurde bei einer Vor-Sinterungstemperatur, die der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung entsprach, gesintert, um einen porösen Körper zu erhalten. Jeder poröse Körper wurde auf eine Tafel aus Infiltriermittel gelegt, welche mit einem ähnlichen Verfahren wie dem in Beispiel 1 getrennt hergestellt wurde, und in einen Infiltrationsofen gegeben. Bei jedem geformten Körper wurde die Tafel aus Infiltriermittel unter den porösen Körper, der eine der in 9 bis 11 dargestellten Formen aufwies, so gelegt, dass sie in Kontakt mit der gesamten Bodenfläche des porösen Körpers gelangte. Der poröse Körper wurde mit dem Zweitbestandteil unter der gleichen Bedingung wie derjenigen infiltriert, die bei der Probe angewandt wurde, die eine entsprechende Zusammensetzung in Beispiel 1 aufweist. Wie bei Beispiel 1, wurde eine Ausblüh-Verhinderungsschicht vorab auf jeder Fläche ausgebildet, ausgenommen die Bodenfläche des Sinterkörpers.
Der jeweilige Formkörper mit der Zusammensetzung, entsprechend derjenigen der Probe 28 oder 29, wurde in ein Druckgefäß gegeben, das sich für die Formgestalt des Teilstücks eignete. Dann wurde die Infiltration mit geschmolzenem Si mit einem ähnlichen Verfahren wie dem in Beispiel 1 durchgeführt.
Jede Probe nach der Infiltration war frei von Deformation oder Beschädigung und wies eine Formgestalt auf, die eng an die beabsichtigte angepasst war. Die Endbearbeitung der Flächen, die sich von der Bodenfläche unterschieden, an welcher der Zweitbestandteil ausblühte, und die Säuberung durch Schleifen an jeder Ecke wurden in einer Sandstrahlmaschine durchgeführt. Die Bodenfläche wurde einer Endbearbeitung mit einer Oberflächen-Mahlmaschine so durchgeführt, dass sie parallel zur gegenüberliegenden Fläche verlief. Vergleiche bei der Leichtigkeit (Geschwindigkeit) der Endbearbeitung durch Mahlen wurden zwischen der Si-SiC-basierten Zusammensetzung (nachfolgend bezeichnet als "A"-Gruppe, die den Proben 2 bis 6 entspricht), der Al-SiC-Si-basierten Zusammensetzung (nachfolgend bezeichnet als "B"-Gruppe, die der Probe 11 entspricht) sowie der Al-SiC-basierten Zusammensetzung (nachfolgend bezeichnet als "C"-Gruppe, die der Probe 13 entspricht) durchgeführt. Die "A"-Gruppe, die kein Al enthält, war bei weitem den beiden anderen Gruppen überlegen. Die "B"- und "C"-Gruppen folgten der "A"-Gruppe in dieser Reihenfolge. Die Schnittspecimen aus diesen Proben wurden herangezogen, um die relative Dichte, die Wärmeleitfähigkeit und die CTEs wie in Beispiel 1 zu bewerten. Die Ergebnisse belegten, dass diese Proben Eigenschaftsniveaus aufwiesen, die mit denen der entsprechenden Proben in Tabelle 1 vergleichbar sind.
Beispiel 4
Unter den Teilstücken der vorliegenden Erfindung, erzeugt in Beispiel 2, wurden verschiedene Teilstücke mit den den Proben 4, 11, 13, 20 und 30 der Tabelle entsprechenden Zusammensetzungen hergestellt. Diese Teilstücke wurden zusammengebaut, um Energie-Module mit der in 8 dargestellten Grundstruktur zu erzeugen. Die Energie-Module wurden einem Wärmezyklus-Test unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen (ein Wärmezyklus, bestehend aus Kühlen bei –60°C 30 min lang und Erhitzen bei 150°C 30 min lang, wird 1.000 Mal wiederholt). Der Test wurde mit einem Radiator mit der in 9 dargestellten Formgestalt durchgeführt, welcher mit Wasser von außen gekühlt wurde. Die Kombinationen für den Zusammenbau zu einem Modul und die Bewertungsbegriffe sind in Tabelle 3 angegeben. 30 Module wurden jeweils für jede Probe hergestellt.
Wie in der Spalte "zusammengebautes Teilstück" in der gleichen Tabelle dargestellt, wird die Formgestaltung der Teilstücke klassifiziert als "9; Flosse", "10; Substrat", "11; Behälter", und "11; Deckel". Die Bezugsziffern in dieser Spalte stellen die Klassifikation des für die jeweiligen Teilstücke eingesetzten Materials dar. Beispielsweise zeigt "4" für Probe 32 die entsprechende Probennummer der Tabelle 1 an und besagt, dass das Teilstück aus dem gleichen Material wie dem in der angezeigten Probe verwendeten hergestellt wurde. Bei den Proben 32 bis 35 wurden die jeweiligen Teilstücke separat mit den gleichen Materialien erzeugt und dann zusammengebaut. Mit den Proben 36 bis 38 wurde nur der flossenförmige Radiator, bezeichnet mit "Al", aus Aluminium erzeugt (die dargelegten Oberflächen nach dem Zusammenbau wurden anodisiert); die restlichen 3 Teilstücke wurden separat mit dem angegebenen Material erzeugt; und dann wurden sie zusammengebaut. Mit der Probe 39 wurden die in 9 und 10 dargestellten Teilstücke und der in 11 dargestellte Behälterteil mit dem gleichen Material wie dem in Probe 11 verwendeten als Einheitsstruktur erzeugt und dann mit einem aus dem gleichen Material hergestellten Deckel zusammengebaut. Mit der Probe 40 wurden die in 9 und 10 dargestellten Teilstücke als Einheitsstruktur erzeugt, und es wurden die in 11 dargestellten Teilstücke als Einheitsstruktur erzeugt. Mit den Proben 41 und 42 wurden das in 10 dargestellte Teilstück und der in 11 dargestellte Behälterteil als Einheitsstruktur erzeugt. Die als Einheitsstruktur erzeugten Teilstücke wurden mit dem gleichen Verfahren erzeugt, mit welchem das flossenförmige Teilstück in Beispiel 2 erzeugt wurde.
Das erste Substrat (entsprechend dem Teilstück 22 in 8), das auf das in 10 dargestellte zweite Substrat montiert wird, wurde mit dem gleichen Keramikmaterial für jede Probe erzeugt. Das erste Substrat wies eine Breite von 30 mm, eine Länge (in Richtung der Tiefe in 8) von 40 mm und eine Dicke von 1 mm auf und war aus einer Aluminiumnitrid-Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von 180 W/m·K und einem CTE von 4,5·10^–6/°C zusammengesetzt. Ein Kupferfolie-Schaltkreis mit einer Dicke von 0,3 mm wurde auf dem Substrat durch eine zwischengeschobene Metallschicht ausgebildet. Ein Si-Halbleiterelement wurde dann an den Schaltkreis mit einem Ag-Sn-basierten Lötmittel gebunden.
Vor dem Zusammenbau wurde eine stromlos mit Nickel plattierte Schicht mit einer Durchschnittsdicke von 5 μm und einer elektrolytisch mit Nickel plattierte Schicht mit einer Durchschnittsdicke von 3 μm auf der Hauptoberfläche des zweiten Substrats ausgebildet. 4 Specimen wurden jeweils aus jeder Probe nach der vorgenannten Plattierung mit Nickel gezogen. Diese Specimen wurden dem folgenden Bindungstest unterzogen: Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1 mm wurde senkrecht zur Nickel-plattierten Oberfläche in einem Halbkreis von 5 mm Durchmesser eines Ag-Sn-basierten Lötmittels befestigt. Mit dem Hauptkörper des Substrats, fixiert am Montierwerkzeug, wurde der Kupferdraht in senkrechter Richtung zur plattierten Oberfläche gezogen, um die Bindungsfestigkeit zwischen der plattierten Schicht und dem Substrat zu bestätigen. Die Testergebnisse ergaben, dass es kein Specimen gab, das eine Abtrennung zwischen der plattierten Schicht und dem Substrat bei einer Zugkraft von 1 kg/mm² oder mehr zeigte. 10 weitere Specimen Nickelplattierter Substrate, die jeweils von jeder Probe gezogen wurden, wurden einem Wärmezyklus-Test unter der gleichen wie vorher beschriebenen Bedingung unterzogen. Nach dem Wärmezyklus-Test wurde der gleiche Bindungstest wie oben durchgeführt. Jedes Specimen erfüllte in genügend guter Weise das oben genannte Niveau der Bindungsfestigkeit der plattierten Schicht. Diese Testmaterialien belegten, dass die erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterialien sowie Probe 13 ein genügend gutes Niveau der Bindungsstärke zwischen der plattierten Schicht und dem Kompositmaterial im Anwendungsfall in der Praxis aufweisen und ergeben.
Als Nächstes wurden die vorgenannten ersten Substrate, auf denen nur der Kupferfolie-Schaltkreis gebildet war, auf die Hauptoberfläche des Nickel-plattierten zweiten Substrats in 2 Reihen und 3 Säulen in gleichen Abständen gelegt und mit einer 80 μm dicken Schicht aus Al-Sn-basiertem Lötmittel fixiert. Wie oben beschrieben, wurde ein Haltleiterelement auf jedem Substrat montiert. Ein Verbindungsteil wurde auf jedem Substrat bereitgestellt, um das Halbleiterelement mit äußeren Schaltkreisen zu verbinden. Schließlich wurden alle Komponenten zu der in 8 dargestellten Energie-Modulstruktur zusammengebaut. Der Zusammenbau erfolgte mit Gewindebolzen durch die Fixierlöcher, die durch die Platte 100 mm breit und 150 mm lang in jedem in 9, 10 und 11(1) dargestellten Teilstück gehen. Die Fixierlöcher wurden an den 4 Ecken der Platte angeordnet. Die Fixierlöcher für das Teilstück aus Aluminium wurden mit einer End-Mühle gebohrt. Die Fixierlöcher für das Teilstück aus dem Kompositmaterial wurden durch Vergrößerung von hergestellten Löchern erstellt, die bereits früher bei der Anfangsstufe mit einem Durchmesser von 3 mm durch Bestrahlung mit Laserstrahlen aus einem Kohlendioxid-Laser hergestellt wurden. Die Bearbeitung mit dem Laser wurde mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit im Vergleich mit weiteren Gegenständen wie Keramikmaterialien, Cu-W- und Cu-Mo-basierten Kompositmaterialien durchgeführt. Diese Tendenz wird mit dem Anstieg der Wärmeleitfähigkeit besonders deutlich. Vor dem Zusammenbau wurde eine Verbindung aus Siliconöl auf die Bodenfläche des zweiten Substrats und auf die Verbindungsoberfläche des flossenförmigen Teilstücks zur Kühlung aufgebracht. Der in 11 dargestellte Behälter und Deckel, die mit Nickel auf ihren Bindungsflächen plattiert sind, wurden vorab mit einem 90 μm dicken Material aus Ag-Cu-basiertem Silber-Lötmittel an einander gebunden.
15 Specimen, die jeweils aus jeder Probe gezogen wurden, wurden einem Wärmezyklus-Test unter der vorgenannten Bedingung als Belastungstest unterzogen. Nach dem Test wurden Abnormitäten beim Erscheinungsbild der Teilstücke und Ausstoßänderungen bei den Modulen untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben. Das Zeichen "–" in der Tabelle sagt aus, dass der Begriff bzw. die Untersuchung nicht anwendbar sind, weil der Testgegenstand eine Einheitsstruktur aufweist. Das Ergebnis "keine" in der Tabelle sagt aus, dass das Testergebnis keine Abnormität nach dem 1.000. Wärmezyklus ergab. Wie aus den Testergebnissen in Tabelle 3 ersichtlich, wurden im Fall der Vergleichsproben 34 und 38 winzige Brüche auf dem Keramiksubstrat in der Nähe des Bindungsbereichs zwischen dem ersten und zweiten Substrat beobachtet. Die winzigen Brüche erniedrigten das Wärme-Verteilungsvermögen, wodurch sich die Temperatur des Halbleiterelements erhöhte. Als Ergebnis, verringerte sich der Ausstoß des Modul geringfügig nach dem Test. Dagegen zeigten und ergaben die Proben der vorliegenden Erfindung keine Beschädigung oder keine Absenkung beim Ausstoß nach dem Test.
Die oben beschriebenen Testergebnisse belegten, dass der Energie-Modul mit den Teilstücken aus dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial ein genügend gutes Leistungsniveau bei Anwendung in der Praxis aufweist. Außerdem wurden verschiedene in 1 bis 7 dargestellte Bauteile zusammengebaut, die mit einem Wärme-verteilenden Substrat 1, einem Packungskörper 2 oder mit beiden mit dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial oder einer Keramik aus dem gleichen Material wie dem im oben beschriebenen Test verwendeten erzeugt wurden. Diese Bauteile wurden dem gleichen wie oben beschriebenen Wärmezyklus-Test unterzogen. Keine Beschädigung wurde am Bindungsbereich zwischen den Teilstücken aus dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial, am Bindungsbereich zwischen dem Teilstück aus dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial und dem Teilstück aus einem Material, das sich vom erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial unterschied, oder an irgendeinem der Teilstücke beobachtet. Es wurde auch keine Absenkung beim Ausstoß der Bauteile festgestellt. Diese Testergebnisse belegten, dass diese Bauteile ein genügend gutes und hohes Leistungsvermögen zur Anwendung in der Praxis aufweisen.
Beispiel 5
Packungen für integrierte Mikrowellen-Schaltkreise, welche ein Gehäuse 23 und einen Deckel 24, dargestellt in 12, umfassen, wurden mit dem gleichen Kompositmaterial wie dem der Proben 2 bis 6, 11, 13, 20, 22, 25, 28 und 29 des Beispiels 1 erzeugt. Die Formkörper für das Gehäuse wurden mit dem gleichen Verfahren erzeugt, wie es in Beispiel 3 zur Erzeugung des in 11(1) dargestellten Teilstücks erläutert ist. Der Formkörper für den Deckel wurde mit dem folgenden Verfahren erzeugt: Erstens, wurde ein Binder aus der Cellulose-Familie zu einem Pulver des Erstbestandteils gegeben. Zweitens, wurden der Binder und das Pulver in einem Kneter verarbeitet. Drittens, wurde der Knetkörper extrudiert, um eine Platte zu bilden, worauf diese zugeschnitten wurde. Die erhaltenen Formkörper wurden der Vor-Sinterung und der Infiltration mit dem Verfahren unterzogen, das den jeweiligen in der Tabelle des Beispiels 1 angegebenen Proben entsprach. Das Gehäuse 23 wurde mit einem Loch 25 für ein Führungsterminal oder zur Fixierung einer optischen Faser versehen. Im Gehäuse wird ein Si-Halbleiterelement für einen integrierten Mikrowellen-Schaltkreis, einen fotoelektrischen Transferschaltkreis oder einen Lichtverstärkungsschaltkreis sowie für das Substrat für das Element untergebracht.
In diesem Fall kann ein Al-Si- oder Al-SiC-basiertes Kompositmaterial nicht an ein weiteres Material mit einem Lötmaterial mit einem höheren Schmelzpunkt als dem von Al gebunden werden. Infolgedessen wird bei Gehäusen aus diesen Kompositmaterialien der Zusammenbau mit einem Niedertemperatur-Lötmittel durchgeführt. Dagegen ermöglicht das erfindungsgemäß verwendete Kompositmaterial die Anwendung eines Hochtemperatur-Hartlötmaterials, wodurch der dielektrische Verlust bei Anwendung in der Praxis signifikant herabgesetzt wird.
Im Unterschied zu einem Teilstück aus einem Al-Si- oder Al-SiC-basierten Kompositmaterial, worin Si oder SiC in der Al-Matrix dispergiert sind, weist ein Teilstück aus dem erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterial praktisch keinen Unterschied beim CTE zwischen dem Teilstück und dem vorgenannten Schaltkreis auf, der ein Si-Halbleiterelement aufweist. Als Ergebnis, bietet die vorliegende Erfindung eine Packung, die eine bisher nicht möglich gewesene hohe Zuverlässigkeit aufweist. Specimen wurden hergestellt, in denen integrierte Mikrowellen-Schaltkreise mit Si-Halbleiterelementen in mit dem vorgenannten Verfahren erzeugten Gehäusen untergebracht wurden. Die Specimen wurden einem Wärme-Beständigkeitstest, wobei sie 200°C 15 min lang gehalten wurden, und einem Wärmezyklus-Test unterzogen, wobei sie zuerst bei –60°C 30 min und dann 150°C 30 min lang gehalten wurden, und dieser Zyklus wurde 1000 Mal wiederholt. Nach jedem Test behielt jeder Bindungsbereich der Packungen eine so hohe Luft-Dichtigkeit wie ca. 1·10^–10 cc/s bei der Leckgeschwindigkeit in einem Helium-Lecktest bei. Abnormitäten für eine Anwendung in der Praxis wurden bei der Ausstoßleistung der Schaltkreise auch nicht beobachtet.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben im Detail beschrieben, weist das erfindungsgemäß verwendete Kompositmaterial einen so niedrigen CTE wie 6·10^–6/°C oder weniger auf, welcher extrem nahe an demjenigen eines Si-Halbleiterelements liegt. Es zeichnet sich auch bei der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit weiteren Kompositmaterialien dieses Typs aus, die durch ein herkömmliches Si-SiC- und Si-SiC-Al-basiertes Material dargestellt sind. Unter den erfindungsgemäß verwendeten Kompositmaterialien weist insbesondere ein Kompositmaterial, enthaltend 50 Gew.-% oder mehr Si, nicht nur eine so hohe Wärmeleitfähigkeit wie 200 W/m·K oder mehr, sondern auch einen CTE auf, der nahezu der gleiche wie derjenige eines Si-Halbleiterelements ist. Infolgedessen eignet sich das erfindungsgemäß verwendete Kompositmaterial nicht nur für ein die Wärme verteilendes Substrat von Halbleiterbauteilen, sondern auch für weitere verschiedene Teilstücke von Halbleiterbauteilen. Insbesondere weist das Kompositmaterial eine extreme hohe Zuverlässigkeit am Bindungsbereich zwischen dem Kompositmaterial und einem Halbleiterelement und zwischen dem Kompositmaterial und einem Keramikteilstück auf. Das Kompositmaterial bietet auch eine leichte Zugänglichkeit für netzförmige Materialien und verringert die Produktionskosten wegen seiner leichten maschinellen Bearbeitbarkeit. Insbesondere ermöglicht es die Produktion von Erzeugnissen mit komplizierten Formen zu niedrigen Kosten. Als Ergebnis lässt sich ein Zusammenbau, der bisher durch Bindung verschiedener Teilstücke durchgeführt wurde, als Einheitsstruktur bewerkstelligen.

Claims

Halbleiterbauteil oder Wärme-verteilendes Substrat dafür, wobei das genannte Bauteil oder Substrat ein Teilstück aus einem Kompositmaterial umfassen, das aufweist: (a) eine Struktur, umfassend: (a1) eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aus Keramik, wobei die Struktur Zwischenräume einschließt, und (a2) einen Halbmetall-haltigen Bestandteil, erzeugt durch Abscheidung nach dem Schmelzen, wobei der genannte Bestandteil die Zwischenräume füllt; (b) einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 6·10^–6/°C oder weniger; sowie (c) eine Wärmeleitfähigkeit von 150 W/m·K oder mehr.
Halbleiterbauteil oder Wärme-verteilendes Substrat gemäß Anspruch 1, worin die Keramik Siliziumcarbid enthält.
Halbleiterbauteil oder Wärme-verteilendes Substrat gemäß Anspruch 1 oder 2, worin das Halbmetall Silizium ist.
Halbleiterbauteil oder Wärme-verteilendes Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Gesamtmenge an Verunreinigungen im Kompositmaterial 1 Gew.-% oder weniger ausmacht.
Halbleiterbauteil oder Wärme-verteilendes Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Kompositmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 200 W/m·K oder mehr aufweist.