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1. WO2004080914 - WÄRMESENKE MIT HOHER WÄRMELEITFÄHIGKEIT

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

WÄRMESENKE MIT HOHER WÄRMELEITFÄHIGKEIT

Die Erfindung betrifft ein Bauteil als Wärmesenke aus einem Verbundwerkstoff mit einem Diamantanteil von 40 - 90 Vol.%, bei einer mittleren Größe der Diamantkörner von 5 bis 300 μm und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Eine breite Anwendung finden Wärmesenken bei der Herstellung von elektronischen Komponenten. Neben der Wärmesenke sind die
Halbleiterkomponente und eine mechanisch stabile Umhüllung die wesentlichen Bestandteile eines elektronischen Package. Für die Wärmesenke werden auch des öfteren die Bezeichnungen Substrat, Wärmespreizer oder Trägerplatte verwendet. Die Halbleiterkomponente besteht beispielsweise aus
einkristallinem Silizium oder Galliumarsenid. Diese ist mit der Wärmesenke verbunden, wobei als Fügetechnik üblicherweise Lötverfahren zum Einsatz kommen. Die Wärmesenke hat die Funktion, die beim Betrieb der
Halbleiterkomponente entstehende Wärme abzuleiten. Halbleiterkomponenten mit besonders hoher Wärmeentwicklung sind beispielsweise LDMOS
(laterally diffused metal oxide semi-conductor), Laserdioden, CPU
(central processing unit), MPU (microprocessor unit) oder HFAD
(high frequency amplify device).
Die geometrischen Ausführungen der Wärmesenke sind anwendungsspezifisch und vielfältig. Einfache Formen sind flache Plättchen. Es werden jedoch auch komplex gestaltete Substrate mit Ausnehmungen und Stufen eingesetzt. Die Wärmesenke selbst wiederum ist mit einer mechanisch stabilen Umhüllung verbunden.
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der zum Einsatz kommenden
Halbleiterwerkstoffe sind im Vergleich zu anderen Werkstoffen niedrig und werden in der Literatur für Silizium mit 2,1 x 10"6 K"1 bis 4,1 x 10"6 K"1 und für Galliumarsenid mit 5, 6 x 10"6 K"1 bis 5,8 x 10"6 K"1 angegeben.
Auch andere Halbleiterwerkstoffe, die großtechnisch noch nicht breit eingesetzt werden, wie z.B. Ge, In, Ga, As, P oder Siliziumkarbid weisen ähnlich niedere Ausdehnungskoeffizienten auf. Für die Umhüllung werden üblicherweise keramische Werkstoffe, Werkstoffverbunde oder auch Kunststoffe eingesetzt. Beispiele für keramische Werkstoffe sind Al203 mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 6,5 x 10"6 K"1 oder Aluminiumnitrid mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 x 10"6 K"1.

Ist das Ausdehnungsverhalten der beteiligten Komponenten unterschiedlich, werden Spannungen im Verbund eingebaut, die zu Verwerfungen, zu
Ablösungen oder zum Bruch der Komponenten führen können. Spannungen können dabei bereits bei der Herstellung des Package entstehen und zwar während der Abkühlphase von der Löttemperatur auf Räumtemperatur. Jedoch auch beim Betrieb des Package treten Temperaturschwankungen auf, die beispielsweise von -50°C bis 200°C reichen und zu thermomechanischen Spannungen im Package führen können.
Daraus ergeben sich die Anforderungen an den Werkstoff für die Wärmesenke. Zum einen soll er eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um den Temperaturanstieg der Halbleiterkomponente während des Betriebes möglichst gering zu halten. Zum anderen ist es erforderlich, dass der
Wärmeausdehnungskoeffizient möglichst gut sowohl an den der
Halbleiterkomponente, als auch an den der Hülle angepasst ist. Einphasige metallische Werkstoffe erfüllen das geforderte Eigenschaftsprofil nicht ausreichend, da die Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
Daher werden, um dem Anforderungsprofil gerecht ∑u werden, für die
Herstellung des Substrates Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde eingesetzt.
Übliche Wolfram-Kupfer und Mo-Kupfer Verbundwerkstoffe oder
Werkstoffverbunde wie diese beispielsweise in der EP 0 100 232, US 4 950 554 und der US 5 493 153 beschrieben sind, weisen eine thermische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von 170 bis 250 W/(m.K) bei einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6,5 x 10"6 bis 9,0 x 10"6 K"1 auf, was für viele Anwendungen nicht mehr ausreichend ist.

Mit den steigenden Anforderungen an die thermische Leitfähigkeit von
Wärmesenken fanden auch Diamant bzw. diamanthaltige Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde Interesse. So liegt die Wärmeleitfähigkeit von Diamant bei 1.000 bis 2.000 W/(m.K), wobei speziell der Gehalt an Stickstoff- und Boratomen auf Gitterplätzen qualitätsbestimmend ist.

In der EP 0521 405 ist eine Wärmesenke beschrieben, die auf der dem
Halbleiterchip zugewandten Seite eine polykristalline Diamantschicht aufweist. Durch das Fehlen einer plastischen Verformbarkeit der Diamantschicht kann es bereits beim Abkühlen von der Beschichtungstemperatur zu Rissen in der Diamantschicht kommen.

Die US 5 273790 beschreibt einen Diamantverbundwerkstoff mit einer thermischen Leitfähigkeit > 1.700 W/(m.K), bei dem lose, in Form gebrachte Diamantteilchen mittels nachfolgender Diamantabscheidung aus der Gasphase in einen stabilen Formkörper übergeführt werden. Der so gefertigte
Diamantverbund ist für die kommerzielle Anwendung in Massenteilen zu teuer.

In der WO 99/12866 ist ein Verfahren zur Herstellung eines
Diamant-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffes beschrieben. Die Herstellung erfolgt durch Infiltration eines Diamantskelettes mit Silizium oder einer
Siliziumlegierung. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Silizium und der dadurch bedingten hohen Infiltrationstemperatur wird Diamant teilweise in Kohlenstoff bzw. in weiterer Folge in Siliziumkarbid umgewandelt. Auf Grund der hohen Sprödigkeit ist die mechanische Bearbeitbarkeit dieses Werkstoffes höchst problematisch und aufwendig, so dass dieser Verbundwerkstoff bisher noch nicht für Wärmesenken zum Einsatz kommt.

Die US 4902652 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Diamantwerkstoffes. Auf Diamantpulver wird dabei mittels physikalischer Besen ichtungsverf ah ren ein Element aus der Gruppe Übergangsmetalle der Gruppen 4a, 5a und 6a, Bor und Silizium abgeschieden. Anschließend werden die beschichteten Diamantkörner mittels eines Festphasensinterprozesses miteinander verbunden. Nachteilig ist, dass das entstehende Produkt eine hohe Porosität und einen für viele Anwendungen zu niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.

Die US 5 045 972 beschreibt einen Verbundwerkstoff, in dem neben
Diamantkörnern mit einer Größe von 1 bis 50 μm eine metallische Matrix vorliegt, die aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silber oder deren Legierungen besteht. Nachteilig dabei ist, dass die metallische Matrix nur mangelhaft an den Diamantkörnern angebunden ist, so dass dadurch die Wärmeleitfähigkeit und mechanische Integrität in nicht ausreichendem Maße gegeben ist.
Auch die Verwendung von feinerem Diamantpulver, beispielsweise mit einer Korngröße < 3 μm, wie dies aus der US 5 008 737 hervorgeht, verbessert die Diamant / Metall Haftung nicht.
Die US 5 783316 beschreibt ein Verfahren, bei dem Diamantkörner mit W, Zr, Re, Cr oder Titan beschichtet, die beschichteten Körner in weiter Folge kompaktiert werden und der poröse Körper z.B. mit Cu, Ag oder Cu-Ag
Schmelzen infiltriert wird. Die hohen Beschichtungskosten begrenzen das Einsatzgebiet derartig hergestellter Verbundwerkstoffe.
Die EP 0 859 408 beschreibt einen Werkstoff für Wärmesenken, dessen Matrix aus Diamantkörnern und Metallkarbiden gebildet ist, wobei die Zwischenräume der Matrix durch ein Metall gefüllt sind. Als Metallkarbide werden die Karbide der Metalle der 4a bis 6a Gruppen des Periodensystems bezeichnet.
Besonders hervorgehoben werden dabei in der EP 0 859 408 TiC, ZrC und HfC. Als besonders vorteilhafte Füllmetalle sind Ag, Cu, Au und AI angeführt. Nachteilig ist, dass die Metallkarbide eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die für TiC, ZrC, HfC, VC, NbC und TaC im Bereich von
10 bis 65 W/(m.K) liegt. Weiters ist nachteilig, dass die Metalle der 4a bis 6a Gruppen des Periodensystems eine Löslichkeit im Füllmetall, wie
beispielsweise Silber aufweisen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der
Metallphase stark reduziert wird.

Die EP 0 898 310 beschreibt eine Wärmesenke, die aus Diamantkömem, einem Metall oder einer Metalllegierung hoher Wärmeleitfähigkeit aus der Gruppe Cu, Ag, Au, AI, Mg und Zn und einem Metallkarbid der Metalle der Gruppen 4a, 5a und Cr besteht, wobei die Metallkarbide zu zumindest 25 % die Oberfläche der Diamantkörner bedecken. Auch hier wirken sich die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Karbide der 4a, 5a Gruppen des Periodensystems und Cr und die hohe Löslichkeit dieser Elemente in Cu, Ag, Au, AI, Mg und Zn und die damit verbundene Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit nachteilig aus.
In den letzten Jahren sind die Prozessgeschwindigkeit und der Integrationsgrad der Halbleiterkomponenten stark angestiegen, was auch zu einer Zunahme der Wärmeentwicklung im Package geführt hat. Ein optimales Wärmemanagement stellt daher ein immer wesentlicheres Kriterium dar. Die Wärmeleitfähigkeit der oben beschriebenen Werkstoffe reicht für eine Vielzahl von Anwendungen nicht mehr aus, bzw. ist deren Herstellung für eine breite Verwendung zu aufwendig. Die Verfügbarkeit von verbesserten, kostengünstigen Wärmesenken stellt eine Voraussetzung für eine weitere Optimierung von Halbleiterbauelementen dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, für ein als Wärmesenke vorgesehenes Bauteil einen Verbundwerkstoff bereitzustellen, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, bei Verarbeitungseigenschaften, die eine kostengünstige Herstellung ermöglichen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1.

Der erfindungsgemäße Bauteil weist eine ausgezeichnete Haftfestigkeit zwischen den Diamantkörnern und der Ag-, Au- oder AI-reichen Phase durch die sich dazwischen bildende Silizium-Kohlenstoffverbindung auf. Um diese Anbindung zu erzielen, reicht bereits eine Dicke dieser
Silizium-Kohlenstoffverbindung im Nanometerbereich, bzw. eine
Bedeckungsgrad von > 60 Prozent aus. Unter Bedeckungsgrad ist dabei der Anteil der Diamantkörneroberfläche zu verstehen, die mit der Silizium-Kohlenstoffverbindung bedeckt ist. Entsprechend dieser Prämissen entspricht dies einem Volumengehalt der Silizium-Kohlenstoffverbindung von
> 0,005 Prozent.
Im Gegensatz zu den Metallkarbiden besitzt Siliziumkarbid eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 250 W/(m.K). Da bei Raumtemperatur die
Löslichkeit von Si in Ag, Au und AI sehr gering ist, wird die im reinen Zustand sehr hohe Wärmeleitfähigkeit dieser Metalle nur geringfügig verschlechtert. Legierungen von Ag, Au oder AI mit Cu oder Ni weisen ebenfalls eine
ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die durch geringe, gelöste Si-Anteile in einem nicht unzulässig hohen Maße verschlechtert werden.

Weiters ist die mechanische Bearbeitbarkeit auf Grund der sehr duktilen Ag-, Au- oder AI-Gefügebestandteile in einem ausreichenden Maße gegeben. Für eine kostengünstige Darstellung ist es weiters vorteilhaft, dass durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Ag-, Au- oder AI-reichen Gefügebestandteile der Diamantgehalt reduziert werden kann. Durch Variation des Diamant-,
Siliziumkarbid- und Metallphasengehaltes ist es möglich, in Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit und Wärmedehnung maßgeschneiderte Wärmesenken für unterschiedlichste Anforderungen herzustellen.
Weitere Gefügebestanteile verschlechtern die Eigenschaften nicht in einem unzulässigen Ausmaß, solange deren Gehalt 5 Vol.% nicht übersteigt. Dabei zu nennen sind nichtgebundenes Silizium und nichtgebundener Kohlenstoff. Diese Gefügebestandteile verschlechtern zwar geringfügig die Wärmeleitfähigkeit, wirken sich jedoch günstig auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, indem sie diesen verringern. Zudem können sie teilweise herstelltechnisch nur mit relativ großem Aufwand vollständig vermieden werden.
Besonders vorteilhafte Gehalte an Siliziumkarbid und Ag-, Au- oder AI-reicher Phase liegen bei 0,1 bis 7 Vol.% bzw. bei 7 bis 30 Vol.%. Versuche haben gezeigt, dass Diamantpulver in einem breiten Korngrößenspektrum verarbeitet werden können. Neben Naturdiamanten lassen sich auch preisgünstigere synthetische Diamanten verarbeiten. Auch mit den gängigen beschichteten Diamantsorten wurden ausgezeichnete Verarbeitungsergebnisse erzielt.
Daraus ergibt sich, dass auf die jeweils kostengünstigste Sorte zurückgegriffen werden kann. Für kostenunkritische Anwendungen mit extrem hohen
Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit ist es günstig, eine Diamantfraktion mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 50 bis 150 μm zu verwenden. Weiteres lassen sich die höchsten Wärmeleitfähigkeitswerte durch die
Verwendung von Ag bei Gehalten von 20 bis 30 Vol.% erzielen.
Für den Einsatz der Bauteile als Wärmesenken für elektronische Komponenten werden diese vorteilhafterweise mit Ni, Cu, Au oder Ag oder einer Legierung dieser Metalle beschichtet und in weiterer Folge mit einem keramischen
Rahmen, beispielsweise ais Al203 oder AIN verlötet.

Für die Herstellung können unterschiedlichste Verfahren eingesetzt werden. So ist es möglich mit Siliziumkarbid beschichte Diamantpulver mit Ag, Au oder AI unter Temperatur und Druck zu verdichten. Dies kann beispielsweise in
Heißpressen oder heißisostatischen Pressen erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich das Infiltrieren gezeigt. Dabei wird ein Precursor oder Zwischenstoff hergestellt, der neben Diamantpulver auch einen Binder enthalten kann.
Besonders vorteilhaft sind dabei Binder, die unter Temperatureinwirkung zu einem hohen Anteil pyrolisieren. Vorteilhafte Bindergehalte liegen bei
1 bis 20 Gew.%. Diamantpulver und Binder werden in üblichen Mischern oder Mühlen vermengt. Danach erfolgt die Formgebung, wobei diese durch
Schüttung in eine Form oder druckunterstützt, beispielsweise durch Pressen oder Metallpulverspritzguss, erfolgen kann. In weiterer Folge wird der
Zwischenstoff auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Binder zumindest teilweise pyrolisiert. Die Pyrolyse des Binders kann jedoch auch während des Aufheizens beim Infiltrationsprozess erfolgen. Der Infiltrationsprozess kann drucklos oder druckunterstützt erfolgen. Letzteres wird üblicherweise als
Squezze-Casting bezeichnet. Als Infiltrationsmaterial wird vorteilhafterweise eine Folie aus einer Ag-Si-, Au-Si- oder Al-Si-Legierung mit einem Si-Gehalt < 50 Gew.% verwendet. Für die Wahl der Zusammensetzung ist zu
berücksichtigen, dass die Liquidustemperatur der jeweiligen Legierung nicht höher als 1200°C, vorteilhafterweise nicht höher als 1000°C liegt, da sich ansonsten zu hohe Diamantanteile zersetzen. Besonders gut für das Infiltrieren eigenen sich Folien mit einer eutektischen Zusammensetzung.
Neben der besonders vorteilhaften Verwendung der Bauteile für die
Wärmeableitung bei Halbleiterkomponenten kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff auch als Wärmesenke in anderen Anwendungsbereichen wie beispielsweise im Bereich der Luft- und Raumfahrt oder Motorenbau eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Herstellbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1
Naturdiamantpulver der Qualität IIA (Micron+ SND der Element Six GmbH) mit einer mittleren Kornfraktion von 40 - 80 μm wurde mit 7 Vol.% eines Binders auf Epoxydharz-Basis vermengt. Der so hergestellte Precursor oder Zwischenstoff wurde mittels Matrizenpressen bei einem Druck von 200 MPa zu einer Platte der Dimension 35 mm x 35 mm x 5 mm gepresst. Der Porenanteil der Platte betrug ca. 15 Vol.%.
In weiterer Folge wurde diese Platte mit einer Folie aus einer eutektischen Ag-Si-Legierung bedeckt, wobei der Si-Gehalt 11 Atom% betrug und zur Infiltration in einem Ofen unter Vakuum auf eine Temperatur von 860°C erhitzt, wobei die Haltezeit 15 Minuten betrug. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur mit einem Haltepunkt bei 400°C für ca. 10 Minuten, wurde mittels quantitativer Metallografie die Volumengehalte der vorhandenen Phasen ermittelt.
Der Wert für Siliziumkarbid lag dabei bei ca. 2 Vol.%, wobei das Siliziumkarbid großteils die Diamantkörner gleichmäßig umhüllt. Auf Grund der geringen Schichtstärke dieser Siliziumkarbidumhüllung konnte die Modifikation der Siliziumkarbidphase nicht ermittelt werden. Neben Diamant und Siliziumkarbid besteht das Gefüge aus einer Ag-reichen Phase mit eingelagerten
Si-Ausscheidungen, die sich durch die eutektische Umsetzung gebildet haben. Der Volumenanteil der Ag-reichen Phase betrug ca. 12 %, der von Si ca.
1 %. Mittels EDX konnten in der Ag-reichen Phase neben Ag keine weiteren Bestandteile nachgewiesen werden, sodass auf Grund der gegebenen
Detektionsgrenze davon ausgegangen werden kann, dass der Ag-Anteil bei größer 99 Atom% liegt.
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und des
Wärmeausdehnungskoeffizienten wurde die Platte mittels Laser und Erodieren bearbeitet. Für die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur wurde ein mittlerer Wert von 450 W/(m.K) gemessen. Die Bestimmung des
Wärmeausdehnungskoeffizienten erbrachte einen mittleren Wert von
8,5 10"6 K"1.

Beispiel 2
In einem weiteren Versuch wurde synthetisches Diamantpulver der Qualität Micron+ MDA der Element Six GmbH und einer mittleren Kornfraktion von 40 - 80 μm verarbeit. Die Verarbeitung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur des so hergestellten Verbundwerkstoffes betrug 410 W/(m.K), der mittlere
Wärmeausdehnungskoeffizient 9,0 10"6 K"1.

Beispiel 3
In einem weiteren Versuch wurde synthetisches Diamantpulver der Qualität Micron+ MDA der Element Six GmbH mit einer mittleren Kornfraktion von 40 - 80 μm verarbeit. Die Precursor-Herstellung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Infiltration des gepressten Precursors mit einer eutektischen Ag-Si-Schmelze wurde in einer üblichen Squeeze-Casting Vorrichtung, deren Form aus Warmarbeitsstahl auf 150°C vorgeheizt wurde, bei einem Gasdruck von ca. 40 MPa durchgeführt. Die Temperatur der Ag-Si-Schmelze betrug ca. 880°C. Die folgende, langsame Abkühlung bis Raumtemperatur wurde mit einem Haltepunkt bei 400°C für ca. 15 Minuten durchgeführt. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur des so hergestellten
Verbundwerkstoffes betrug 480 W/(m.K), der mittlere
Wärmeausdehnungskoeffizient 8,5 10"6 K"1.

Beispiel 4
Synthetisches Diamantpulver der Qualität Micron+ MDA der Element Six GmbH mit einer mittleren Kornfraktion von 40 - 80 μm wurde gemäß Beispiel 3 verarbeitet, jedoch ohne dass bei der Abkühlung von der Infiltrationstemperatur eine Haltephase bei ca. 400°C für 15 Minuten durchgeführt wurde. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur des so hergestellten
Verbundwerkstoffes betrug 440 W/(m.K), der mittlere
Wärmeausdehnungskoeffizient 8,5 10"6 K"1.