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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch
1.
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Bekannt
ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw.
benötigte
Metallisierung auf einer Keramik, z.B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik
mit Hilfe des sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology)
herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden
Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an
ihren Oberflächenseiten
eine Schicht oder einen Überzug
(Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall
und einem reaktiven Gas , bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem
beispielsweise in der
US-PS
37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren
bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht)
ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur
des Metalls (z.B. Kupfers), so daß durch Auflegen der Folie
auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander
verbunden werden können,
und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen
nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
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Dieses
DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:
- • Oxidieren
einer Kupferfolie derart, daß sich
eine gleichmäßige Kupferoxidschicht
ergibt;
- • Auflegen
des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
- • Erhitzen
des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur
zwischen etwa 1025 bis 1083°C,
z.B. auf ca. 1071°C;
- • Abkühlen auf
Raumtemperatur.
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Bekannt
ist weiterhin ein Verfahren der gattungsmäßigen Art zum Herstellen von
Formkörpern unter
Verwendung eines Ausgangsmaterials (
EP 0 987 231 A1 ), welches Siliziumcarbid
und Kupfer und/oder Aluminium jeweils in Pulverform enthält. Bei diesem
bekannten Verfahren wird aus dem Ausgangsmaterial ein Formkörperrohling
durch Kompaktieren gebildet und anschließend bei einem Aluminium enthaltenden
Ausgangsmaterial auf 670°C
und bei einem Kupfer enthaltenden Ausgangsmaterial auf 1090°C erhitzt,
d. h. auf eine Temperatur, die deutlich über dem Schmelzpunkt von Aluminium
bzw. Kupfer liegt. Der so durch einen Schmelzvorgang hergestellte
Formkörper
wird dann beispielsweise einer Wärmenachbehandlung
bei einer Temperatur unterhalb des jeweiligen Schmelzpunktes unterzogen.
Bei dem bekannten Verfahren ist weiterhin auch vorgesehen, den hergestellten
Formkörper
nach seiner Herstellung einem Schmiedeverfahren zu unterziehen bzw. mit
Druck zu behandeln (
EP 987 231 ).
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Bekannt
ist weiterhin ein Verfahren (
US 4,775,414 ),
bei dem aus einem Ausgangsmaterial, welches u. a. Siliziumcarbid
und Kupfer sowie auch noch weitere Metalle enthält. Aus diesem Ausgangsmaterial
wird ein Rohling geformt und dieser zwischen zwei zu verbindenden
Elementen angeordnet. Anschließend
erfolgt für
dieses Verbinden ein Erhitzen auf eine Bondtemperatur, die der Schmelztemperatur
des von dem Kupfer und den weiteren Metallen gebildeten Eutektikums
entspricht. Der aus dem Ausgangsmaterial hergestellte Rohling bildet
hierbei im Wesentlichen ein Hartlot mit einem Zusatz aus Siliziumcarbid.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem Formkörper aus
Siliziumcarbid und einem Kupfer enthaltenden Metall preiswert gefertigt
werden können,
insbesondere auch in der Weise, dass diese Formkörper bei einem stark reduzierten
Wärmeausdehnungskoeffizienten
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet.
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Die
Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass der aus Siliziumcarbid und einem Kupfer enthaltenden
Metall (jeweils in Pulverform) durch Kompaktieren hergestellte Formkörperrohling
zu einem Sinterkörper
gesintert wird, und zwar bei einer Temperatur zwischen 700–1080°C unterhalb
des Schmelzpunktes des Kupfers. In vorteilhafter Weise wird hierbei
erreicht, dass allenfalls nur in äußerst geringem Maße sich
das Siliziumcarbid im Kupfer löst,
die angestrebte hohe Wärmeleitfähigkeit also
nicht verloren geht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
läßt sich
der Formkörper
durch Sintern in der jeweils gewünschten
Form einfach und rationell fertigen. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Formkörper
besitzt auch speziell für
die Anwendung im Bereich der Elektronik optimale Eigenschaften,
so beispielsweise im Vergleich zu Metallen einen stark reduzierten
Wärmeausdehnungskoeffizienten
in der Größenordnung
von 6,0 – 10 × 106 [1/°K].
Weiterhin erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr preiswerte
Herstellung des Form- oder Sinterkörpers.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an verschiedenen
Ausführungsbeispielen
erläutert.
Es zeigen:
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1–3 in
vereinfachten Flußdiagrammen
unterschiedliche Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen eines Formkörpers
aus Siliziumcarbid durch Sintern;
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4 in
vereinfachter Darstellung ein mit Kupfer beschichtetes Partikel
aus Silziumcarbid des Verfahrens der 2 oder 3;
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5 in
vereinfachtem Flußdiagramm
die Verfahrensschritte bei einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 in
einer ähnlichen
Darstellung wie 4 ein mit Nickel und Kupfer
beschichtetes Partikel aus Siliziumcarbid bei dem Verfahren der 4;
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7–9 in
Teildarstellungen das Flußdiagramm
weitere mögliche
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 zeigt
die wesentlichen Verfahrensschritte einer ersten möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen eines Sinterkörpers 1,
beispielsweise einer Platte, der bzw. die zumindest aus Siliziumcarbid
(SiC) und Kupfer (Cu) besteht.
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Der
Sinterkörper
1 dient beispielsweise als mechanische Kühlplatte oder Kühlfläche zum
Kühlen von
elektrischen Bauelementen. Der Sinterkörper 1 zeichnet sich
durch einen besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in der Größenordnung von
ungefähr
6,0 – 10 × 10–6 [1/°K]aus.
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Wie
in der 1 dargestellt ist, erfolgt bei diesem Verfahren
in einem ersten Verfahrensschritt zunächst das Mischen von pulver-
oder partikelförmigem
Siliziumcarbid mit Kupfer, welches beispielsweise ebenfalls in Pulverform
vorliegt, z.B. als metallisches Kupfer (legiert oder unlegiert)
oder als Kupferverbindung.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann durch Kompaktieren
bzw. Formen und Pressen des mit dem Kupfer versehenen Siliziumcarbids
die Herstellung eines Roh- oder Formlings 1', der dann in einem weiteren Verfahrensschritt
bei einer Temperatur zwischen etwa 700 und 1080°C gesintert wird, um den Sinterkörper 1 zu
erhalten.
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Das
Kompaktieren erfolgt beispielsweise in einer geeigneten Formpresse,
die einen Formraum aufweist, in den das Siliziumcarbid und das Kupfer eingebracht
wird, und die einen geeigneten Form- und Preßstempel zur Erzeugung des
für die
Kompaktierung bzw. Formung des Rohlings 1' notwendigen Druck aufweist. Grundsätzlich besteht
die Möglichkeit,
dieses Kompaktieren oder Formpressen bei erhöhter Temperatur durchzuführen. Das
Pressen beim Kompaktieren und eventuell auch beim Sintern erfolgt
beispielsweise in der Weise, daß ein
im wesentlichen porenfreier Sinterkörper 1 erhalten wird.
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Die
bei diesem Verfahren verwendeten Mengen an Siliziumcarbid und Kupfer
sind so eingestellt, daß der
Sinterkörper
letztlich 30 bis 80% Siliziumcarbid aufweist.
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Das
Sintern kann unter unterschiedlichsten Bedingungen erfolgen, beispielsweise
drucklos oder aber unter Druck, wobei im letzten Fall beispielsweise
bei der Herstellung des plattenförmigen
Sinterkörpers 1 beim
Sintern auf beide Oberflächenseiten
des Rohling 1' ein
Flächendruck
im Bereich zwischen etwa 20 bis 2000 bar aufgebracht wird. Weiterhin
besteht die Möglichkeit
das Sintern unter isostatischen Druckbedingungen durchzuführen, d.h.
derart, daß der
jeweilige Rohling 1' während des
Sinterns an seiner gesamten Oberfläche jeweils mit dem gleichen Druck,
beispielsweise mit einem Druck im Bereich zwischen etwa 20 bis 2000
bar beaufschlagt wird.
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Vorstehend
wurde davon ausgegangen, daß der
Kupferanteil in Form eines Kupferpulvers oder eines Kupfer enthaltenden
Pulvers zugegeben wird. Selbstverständlich bestehen auch noch andere
Möglichkeiten
für die
Zugabe des Kupfers.
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Die 2 zeigt
eine weitere mögliche
Ausführungsform
des Verfahrens zum Herstellen des Sinterkörpers 1. Bei diesem
Verfahrens wird wiederum ein partikel- oder pulverförmiges Siliziumcarbid als
Ausgangsmaterial verwendet. In einem ersten Verfahrensschritt werden
die Siliziumcarbid-Partikel zunächst
an ihrer Oberfläche
mit einer Kupferbeschichtung oder mit einer kupferhaltigen Beschichtung
versehen, wie dies in der 4 dargestellt
ist, und zwar für
ein Partikel 2 aus Siliziumcarbid mit der Kupferbeschichtung
oder Kupfer enthaltenden Beschichtung 3 an der Oberfläche. Die
so beschichteten Siliziumcarbidpartikel werden dann bei diesem Verfahren
durch Kompaktieren, d.h. Formen und Pressen zu dem Rohling 1' geformt, aus
dem dann anschließend
durch Sintern der Sinterkörper 1 gefertigt wird.
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Das
Kompaktieren bzw. Formpressen zum Herstellen des Rohlings erfolgt
bei dem Verfahren der 2 wiederum in gleicher Weise,
wie dies vorstehend bei dem Verfahren der 1 beschrieben wurde.
Gleiches gilt auch für
das Sintern.
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Die
Anteile an Siliziumcarbid, an Kupfer sowie ggf. an weiteren Bestandteilen
sind wiederum so gewählt,
daß der
Sinterkörper 1 im
fertigen Zustand etwa zwischen 30 bis 80 Volumenprozent Siliziumcarbid
enthält.
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Die 3 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
ein Verfahren, bei dem zu den mit Kupfer beschichteten Partikeln
aus Siliziumcarbid zusätzlich Kupfer
zugegeben wird, wobei dann wiederum das Kompaktieren bzw. Formpressen
und das anschließende
Sintern zum Herstellen des Sinterkörpers 1 in der vorbeschriebenen
Weise erfolgt.
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Die 5 und 6 zeigen
eine weitere mögliche
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei dieser Variante werden die Siliziumcarbid-Partikel 2 an
ihrer Oberfläche
zunächst
mit einer Nickelschicht oder einer Nickel enthaltenden Schicht 4 versehen,
auf die dann in einem weiteren Verfahrensschritt die Kupferschicht
oder die Kupfer enthaltende Schicht 3 aufgebracht wird.
Diese Nickelschicht wirkt dann insbesondere als Diffusionssperre gegenüber Kupfer
beim Sinterverfahren.
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Die
weitere Verarbeitung der mit Nickel und Kupfer beschichteten Partikel 2 kann
dann beispielsweise entsprechend den 2 und 3 erfolgen.
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Um
die Anbindung an das Siliziumcarbid zu verbessern, können bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch weitere metallische Elemente (Aktivelemente) in die Matrix
aus Siliziumcarbid und Kupfer vor dem Formen de Rohlings eingebracht
werden, beispielsweise auch in Form von Legierungen, insbesondere
als Legierungselemente des Kupfers. Als weitere metallische Elemente
eignen sich insbesondere solche, die bei der Sintertemperatur, d.h.
bei der Temperatur zwischen 700 und 1080°C Silizide oder Carbide bilden und
sich außerdem
zumindest in geringen Mengen in Kupfer lösen. Derartige metallische Aktivelemente
sind dann beispielsweise Al, Cr, Zr, Hf, Ta, Fe, Ge, Ti, Mg, Be,
Ca und Ag.
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Diese
Aktivelemente sind beispielsweise bezogen auf den Kupferanteil jeweils
in einer Größenordnung
von etwa 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, allerdings in Kombination nur
bis maximal 22 Gewichtsprozent enthalten.
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Die 7 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
der Erfindung ein Verfahren, bei dem auf den durch Kompaktieren
bzw. Pressen und Formen gebildeten plattenförmigen Rohling 1' auf wenigstens eine
Oberflächenseite,
d.h. bei der dargestellten Ausführungsform
auf beide Oberflächenseiten
jeweils eine Kupferfolie 5 aufgelegt und der so mit den
Kupferfolien 5 versehene Rohling 1' anschließend gesintert wird, um einen
Sinterkörper 1a zu
erhalten, der beidseitig mit jeweils einer von einer Kupferfolie 5 gebildeten
Metallisierung versehen ist. Die Verbindung zwischen jeder Kupferfolie 5 und
dem Sinterkörper 1a wird
dadurch erreicht, daß in
der Matrix dieses Sinterkörpers
in einem genügenden
Anteil Kupfer vorhanden ist, das mit dem Kupfer der jeweiligen Kupferfolie 5 eine
feste Verbindung eingeht.
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Die 8 zeigt
in Teildarstellung eine weitere Möglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei
diesem Verfahren wird auf dem Rohling 1' vor dem Sintern ein Substrat 6 aufgelegt,
welches aus einer Keramikschicht 7, beispielsweise aus
einer Schicht einer Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik
besteht und welches beidseitig mit einer Metallschicht 8,
beispielsweise einer Kupferschicht versehen ist. Die beiden Metallschichten 8 sind
beispielsweise von Kupferfolien gebildet, die unter Verwendung des
bekannten DCB-Verfahrens oder des bekannten Aktiv-Löt-Verfahrens
auf die Keramikschicht 7 (Aluminiumoxid- oder Keramik oder
Aluminiumnitrid-Keramik)
aufgebracht sind.
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Beim
Sintern, vorzugsweise beim Sintern unter Druck (zweiseitiger Flächendruck
oder isostatischer Druck) wird ein Sinterkörper 1b erhalten,
der an einer Oberflächenseite
mit der unteren Metallschicht 8 des Substrates 6 fest
verbunden ist.
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Bei
dieser Ausführung
bildet der Sinterkörper 1b z.B.
eine mechanische Trag- und/oder Kühlplatte, die mit dem Metall-Keramik-Substrat 6 verbunden
ist. Letzteres kann dann an der Metallisierung 8 an de vom
Sinterkörper 1b abgewandten
Metallisierung 8 zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. strukturiert
und mit elektrischen Bauelementen (Leistungsbauelementen) bestückt werden.
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Die
Verbindung zwischen dem Sinterkörper 1b und
der benachbarten Metallisierung 8 des Keramik-Metall-Substrates 6 erfolgt
wiederum durch Reaktion des Metalls der Metallisierung 8 mit
dem Kupfer des Rohlings 1'.
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Die 9 zeigt
schließlich
eine Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellendes Sinterkörpers 1c,
der an einer Oberflächenseite mit
einem Keramiksubstrat 9 versehen ist, welche aus der Keramikschicht 7 besteht,
aber nur an der dem Sinterkörper 1c abgewandten
Oberflächenseite die
Metallisierung 8 aufweist. Die Keramikschicht 7 ist
direkt mit dem Sinterkörper 1c verbunden.
Zur Herstellung dieses Sinterkörpers
wird zunächst
ein Rohling 1' gefertigt,
und zwar nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren, wobei
allerdings der Matrix aus Siliziumcarbid, Kupfer sowie ggf. weiteren Bestandteilen
ein metallisches Element zugegeben wird, welches direkt mit der
Keramik der Keramikschicht 7 reagiert, beispielsweise Ti,
Zr, Hf. Vor dem Sinterprozeß wird
das Substrat 9 mit der Keramikschicht 7 auf den
Rohling 1' aufgelegt,
wobei dann das Sintern entweder drucklos oder unter Druck erfolgt.
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Die
Herstellung des Rohlings 1' erfolgt
bei den Verfahren nach den 7–9 beispielsweise in
gleicher Weise, wie bei den vorstehend beschriebenen Verfahren.
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- 1,
1a, 1b, 1c
- Sinterkörper, beispielsweise
plattenförmiger
Sinterkörper
- 1'
- Rohling
oder Pressling
- 2
- Siliziumcarbid-Partikel
- 3
- Kupferbeschichtung
- 4
- Nickelbeschichtung
- 5
- Kupferfolie
- 6
- Metall-Keramik-Substrat
- 7
- Keramikschicht
- 8
- Metallisierung
- 9
- Metall-Keramik-Substrat