DE69806193T2

DE69806193T2 - Kühlkörpermaterial für Halbleiterbauelemente und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69806193T2
Application number: DE69806193T
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Nishibayashi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: US6171691B1; EP0859408B1; JP3617232B2; EP0859408A3; DE69806193D1; US6270848B1; EP0859408A2; JPH10223812A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmesenke-Material zur Abführung und Freisetzung von Wärme aus einer Halbleiter- Komponente sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Ein Material und ein Verfahren dieser Art sind aus Kerns J. A. et al. "Dymalloy: A Composite Substrate for High Power Density Electronic Components", International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging, 19 (3), 01.07.96, S. 206-211, bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Halbleiter-Vorrichtungsverpackung oder ein Wärmeabführendes Montagegestellt das mit einer aus dem erfindungsgemäßen Material gebildeten Wärmesenke ausgerüstet ist.

Stand der Technik

Kupfer (Cu) ist als typisches Material zur Verwendung als eine Wärmesenke bekannt. Obwohl Cu eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von 398 W/mK aufweist, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient mit einem Wert von 17 ppm/ºC ebenfalls groß. Wird Cu mit einem Halbleiter, wie Silizium (Si) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von 4,2 ppm/ºC oder mit Galliumarsenid (GaAs) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von 6 bis 7 ppm/ºC, verbunden, werden beide der verbundenen Materialien beim Abkühlverfahren von der Vereinigungstemperatur auf Raumtemperatur oder beim Abkühlverfahren der im laufenden Betrieb der Halbleiter- Komponente ausgeübten Maximaltemperatur auf Raumtemperatur thermisch stark belastet. In vielen Fällen macht eine so große thermische Belastung die Komponente zur weiteren Verwendung unbrauchbar. Insofern werden Legierungen aus Cu mit einem Material mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizient (z. B. mit W (Wolfram) oder mit Mo (Molybdän), wie CuW und CuMo, verwendet. D. h., die Entwicklung eines Wärmesenke- Materials, das sich einer Halbleiterverpackung anpasst, wird durch Verwendung eines Materials ermöglicht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient steuerbar ist. In diesen Fällen wird allerdings die Legierung gegenüber Cu bezüglich der Wärmeleitfähigkeit unterlegen, d. h., sie, weist dann nur noch einen Wert von ca. 200 W/mK auf, weil die mit Cu legierten Metalle (W oder Mo) eine nur kleine Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Diamant weist die höchste Wärmeleitfähigkeit im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zum hohen Temperaturbereich von 200ºC auf. Ausserdem beträgt sein Wärmeausdehnungskoeffizient bei ungefähr Raumtemperatur ca. 1,5 ppm/ºC, der somit kleiner im Vergleich mit gewöhnlichen Halbleiter-Materialien wie Si und GaAs ist.
Es ist deshalb darüber nachgedacht worden, metallische Materialien heranzuziehen, die Partikel aus darin eingebettetem Diamant mit entsprechenden überlegenen Eigenschaften enthalten.
Die Idee der Einbettung von Diamant-Partikeln ist z. B. in JP- A-Sho62-249462 (der hier verwendete Betriff "JP-A" bedeutet "eine ungeprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung"), in JP-A-Hei2-170452, 3-9552, 4-231436, 4- 259305, 5-291444 und in 5-347370 offenbart.
In JP-A-Sho62-249462 ist ein Material offenbart, worin Diamant in ein Harz zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit eingebracht ist. Da allerdings ein Harz im allgemeinen ein weniger guter Leiter ist, wird die Wärmeleitfähigkeit als Ganzes nicht viel verbessert.
In JP-A-Hei2-170452, 4-231436, 4-259305 und in 5-347370 ist ein Material aus in eine metallische Matrix eingebetteten Diamant-Partikeln offenbart. Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) usw. werden für die metallische Matrix verwendet.
Ebenfalls bekannt (siehe H. L. Davidson et al. IEEE (1995), S. 538) ist ein Material auf Basis von Diamant, das hergestellt ist, indem man Diamant einem besonderen Überzugsverfahren mit einem Metall unterzieht und dann das sich ergebende Material mit einer Legierung aus Cu und Ag imprägniert.
Alle oben beschriebenen Verfahren beruhen darauf, dass Diamant-Partikel in eine metallische Matrix eingebracht werden. D. h., die Diamant-Partikel sind voneinander durch ein metallisches Material getrennt, das zwischen diesen eingelagert vorliegt. Demzufolge sollte Wärme auch durch das metallische Material übertragen und abgeführt werden, d. h. durch eine Material-Abfolge in der Reihenfolge von Diamant/Metall/Diamant/Metall/--. Diese Struktur ist nicht nur unvorteilhaft, weil die Wärmeleitfähigkeit durch die zwischen Diamant und dem metallischen Material gebildete Verbindungsstelle beeinträchtigt wird, sondern auch weil die Probe selbst wegen schwacher Bindungskräfte an der Verbindungsstelle zwischen Diamant und dem metallischen Material nicht leicht geformt werden kann. Tatsächlich wurde die mit einer herkömmlichen Wärmesenke bewerkstelligte Wärmeleitfähigkeit bestenfalls mit 400 W/mK ermittelt.
Aus dem Dokument "Patent Abstracts of Japan Vol. 3, Nr. 69 (C-569)" und aus JP-A-63/262432 ist ein Verfahren zur Herstellung eines harten gesinterten Kompaktmaterials bekannt, wobei man einen metallischen Überzug auf Kornoberflächen von natürlichem oder synthetischem Diamant aufbringt und anschließend dieses Material in eine Ausrüstung unter extra hohem Druck zur Bindung der Diamant-Körner einbringt. EP-A-717125 offenbart ein Verfahren zur Metallisierung von Diamant, um dasselbe zur Thermokompressionsbindung an ein Substrat zuzubereiten. Metallisierter Diamant wird mit einer Übergangsmetall- Bindungsschicht und einer Edelmetall-Verbindungsschicht versehen. Ein Basiselement weist eine Übergangsmetall- Bindungsschicht und eine Edelmetall-Schicht auf. Das Diamant- Element wird an das Basiselement durch Thermokompression gebunden.

Zusammenfassung der Erfindung

Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente vorgesehene Wärmesenke bereitzustellen, die einen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, der mit demjenigen eines Halbleiter- Materials gut vergleichbar ist, und die dennoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtungsverpackung bereitzustellen, die in wirksamer Weise Wärme freisetzt und abführt, wenn die Halbleiter-Komponente zusammengebaut wird und/oder in Betrieb ist.
Diese Aufgaben werden gemäß den Ansprüchen 1, 8 bzw. 9 gelöst.
Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen durch die hier auftretenden Erfinder ist herausgefunden worden, dass, durch Verwendung eines Materials aus einer Vielzahl von Diamant- Partikeln, die vorab durch ein Metallcarbid miteinander verbunden worden sind und zwischengelagertes Metall aufweisen, eine zur Verwendung mit einer Halbleiter- Komponente vorgesehene Wärmesenke mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem des Halbleiter-Materials und mit einer extrem hohen Wärmeleitfähigkeit erhältlich ist.
Somit umfasst das Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Diamant-Partikeln, ein Metall und ein Metallcarbid, worin das Metallcarbid und die Diamant-Partikel die Matrix darstellen und das Metall die Zwischenräume der Matrix ausfüllt.
Der hier verwendete Passus "Material aus einem Metallcarbid und Diamant-Partikeln, welches die Matrix darstellt" bedeutet ein "Material aus einer Vielzahl von Diamant-Partikieln, die durch ein Metallcarbid miteinander verbunden sind". Insbesondere behält dieses Material die verbundene Struktur aus Diamant-Partikeln und Metallcarbid bei, sogar wenn das Metall der Wärmesenke geschmolzen wird.
Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass die Diamant-Partikel nicht im Metall begraben werden, sondern dass ein Metallcarbid (oder ein Metallcarbid und Graphit) auf der Oberfläche der Diamant-Partikel gebildet werden (darauf wachsen), um diese miteinander zu verbinden, worauf die Kombination dann mit einem Metall (Cu, Ag, Au oder Al) imprägniert wird. Kurz gesagt, ist das Konzept vielmehr darauf gerichtet, gesinterten Diamant zu bilden und dann ein für die Zwischenräume vorgesehenes Metall einzubringen. Der wesentliche Unterschied ist, dass die Diamant-Partikel selbst nicht aneinander gebunden werden; und somit unterscheidet sich dieses Material von gesintertem Diamant.
Bezüglich der Struktur, liegen die Diamant-Partikel eingebracht in die Matrix aus einem Metallcarbid wie TiC, ZrC oder HfC vor, und ein Metall füllt die Zwischenräume der Matrix aus den Diamant-Partikeln und dem Metallcarbid aus. Somit ist ersichtlich, dass sich die Struktur der Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung stark von der herkömmlichen Struktur unterscheidet, worin Diamant-Partikel in einem Metall begraben vorliegen. Bei Entfernung von Metall aus einem herkömmlichen Wärmesenke-Material für eine Halbleiter- Komponente werden die Diamant-Partikel voneinander getrennt. Dagegen, bleiben die Diamant-Partikel in der Wärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden.
Im herkömmlichen Fall liegt ferner ein Metall immer eingebracht zwischen jedem Paar von Diamant-Partikeln vor. Obwohl teilweise eine solche Komponente in der Wärmesenke der vorliegenden Erfindung vorliegen kann, bestehen viele Teilbereiche aus einem Metallcarbid allein. D. h., viele Teilbereiche bestehen nur aus Metallcarbid, das zwischen verschiedenen Diamant-Partikeln eingebracht vorliegt, und das Metallcarbid steht in Kontakt mit den Oberflächen der verschiedenen Diamant-Partikel.
In solch einem Material wird Wärme allein durch Gitterschwingung übertragen. Somit ist, beim Vergleich mit dem herkömmlichen Fall, worin Wärme durch Gitterschwingung/Elektron/Gitterchwingung/Elektron ---- übertragen wird, unmittelbar einzusehen, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit bewerkstelligt wird. Ausserdem ist in einem solchen Fall die mechanische Bindungsfestigkeit erhöht.
Es ist bevorzugt, Graphit in die Matrix einzubringen, weil Graphit einen Beitrag zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit leistet.
Vorzugsweise weisen die Diamant-Partikel einen Durchschnittsdurchmesser von 60 um oder größer, aber nicht mehr als 700 um auf. Weisen die Diamant-Partikel einen Durchschnittsdurchmesser von weniger als 60 um auf, neigt die Wärmeleitfähigkeit dazu, sich zu verringern; übersteigen die Diamant-Partikel 700 um beim Durchschnittsdurchmesser, führt dies zur Bildung von Sprüngen in einem Halbleiter-Substrat, wenn die Wärmesenke mit der Halbleiter-Komponente zur entsprechenden Verwendung verbunden wird. D. h., bei Verwendung von Diamant-Partikeln mit einem zu großen Durchschnittsdurchmesser, wird festgestellt, dass die Verteilung des Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebene stark schwankt, weshalb es dann für ein dünnes Halbleiter-Substrat unmöglich ist, eine solche Schwankung auszuhalten. Somit sollten sich Sprünge durch einen solchen Mechanismus bilden.
Das Metall ist vorzugsweise mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Cu, Au und aus Al. Die Verwendung eines solchen Metalls ermöglicht es, eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erzielen.
Das Metallcarbid ist mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus TiC, ZrC und aus HfC.
Vorzugsweise machen die Metallcarbide 5 Vol.% oder weniger des Gesamtkörpers aus. Übersteigt der Volumenanteil der Metallcarbide 5%, wird die Menge an metallischer Komponente zu groß, um die thermischen Eigenschaften der Wärmesenke bei ihrer Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente zu verschlechtern.
Bevorzugt ist es, dass die Oberfläche des Wärmesenke- Materials mit einem Metall durch Plattierung oder Dampfabscheidung überzogen wird.
Ferner wird mindestens einer der Isolatoren AlN und Al&sub2;O&sub3; zur Verbindung der Oberfläche der Wärmesenke mit einer Halbleiter-Komponente verwendet.
Die oben beschriebenen Strukturen können mit einem im folgenden beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden. In einem Verfahren zur Fertigung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Metallcarbid auf der Oberfläche vom Diamant-Partikeln gebildet, indem man ein Gefäß mit einer Vielzahl von Diamant-Partikeln befüllt und dann die äußere Oberfläche der Diamant-Partikel in Kontakt mit einem geschmolzenen ersten Metall bringt. Danach werden die Zwischenräume der entstandenen Probe mit einem geschmolzenen zweiten Metall imprägniert.
Vorzugsweise wird nach Erhitzung des ersten Metalles alleine zusammen mit den Diamant-Partikeln zur Bildung eines Metallcarbids der Rückstand des ersten Metalles verdampft, und das zweite Metall wird erhitzt, um danach zu schmelzen.
Ebenfalls ist es bevorzugt, dass das erste Metall Komponenten mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als demjenigen der das zweite Metall darstellenden Komponenten umfasst, so dass nur das erste Metall zur Bildung des Metallcarbids geschmolzen wird, wenn die ersten und die zweiten Metalle gleichzeitig mit den Diamant-Partikeln geschmolzen werden, und dass man das zweite Metall erst danach schmelzen lässt.
Vorausgesetzt, dass es die Bedingungen dem Metall ermöglichen zu schmelzen, kann das im obigen Herstellverfahren eingesetzte Metall im Vakuum oder unter Druck geschmolzen werden. Es sollte allerdings darauf geachtet werden, dass ein großer Teil (50% oder mehr) des Diamants keinen Abbau erleidet. D. h., das Verfahren wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1100ºC oder weniger durchgeführt. Es ist aber auch möglich, das Verfahren bei einer Temperatur von 1100ºC oder höher durchzuführen, wenn der Druck auf einen solchen Bereich angehoben wird, unter dem die Diamant-Phase stabil bleibt; allerdings gehen, unter solch einer Bedingung, Diamant-Partikel eine Feststoff-Reaktion untereinander ein, um gesintert zu werden. In einem solchen Fall kann die durch die vorliegende Erfindung angestrebte Struktur nicht erstellt werden.
In der Halbleiter-Vorrichtungsverpackung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die oben beschriebene Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente in thermischen Kontakt mit einer Halbleiter-Komponente gebracht, vorausgesetzt, dass die Wärmesenke ein Verbindungsteilstück umfasst, worin mindestens zwei Diamant-Partikel, die in die Wärmesenke eingebracht vorliegen, an der Oberfläche angeordnet sind, die die Wärmesenke mit der Halbleiter- Komponente verbindet. Auf diese Weise wird eine Halbleiter- Verpackung hergestellt, die ausgezeichnete Eigenschaften zur Freisetzung oder Abführung von Wärme während der Montage der Halbleiter-Komponente oder bei ihrem Betrieb aufweist.

Kurze Beschreibungen der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch eine Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Stufe eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt schematisch eine zweite Stufe eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt schematisch eine dritte Stufe eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 zeigt schematisch eine vierte Stufe eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 zeigt schematisch eine fünfte Stufe eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 zeigt schematisch eine sechste Stufe eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 zeigt schematisch eine erste Stufe eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 zeigt schematisch eine zweite Stufe eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 zeigt schematisch eine dritte Stufe eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 zeigt schematisch eine vierte Stufe eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 zeigt schematisch eine fünfte Stufe eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13a und 13b zeigen schematisch erste Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, worin eine andere Form verwendet wird;
Fig. 14a und 14b zeigen schematisch zweite Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, worin eine andere Form verwendet wird;
Fig. 15a und 15b zeigen schematisch dritte Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, worin eine andere Form verwendet wird;
Fig. 16a und 16b zeigen schematisch vierte Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, worin eine andere Form verwendet wird;
Fig. 17a und 17b zeigen schematisch fünfte Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, worin eine andere Form verwendet wird;
Fig. 18a und 18b zeigen schematisch sechste Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, worin eine andere Form verwendet wird; und
Fig. 19 zeigt schematisch eine Perspektiv-Ansicht einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung, welche mit einer Halbleiter-Komponente verbunden und in eine Vorrichtungsverpackung eingeschlossen wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Wärmesenke- Materials zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Komponente. Bezüglich Fig. 1, umfasst eine Wärmesenke 10 zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Diamant- Partikeln 1, ein Metallcarbid 2 und ein Metall 3. Die Diamant-Partikel 1 liegen isoliert voneinander vor. Das Metallcarbid 2 wird auf der äußeren Peripherie der isolierten Diamant-Partikel 1 gebildet, um die Diamant-Partikel 1 miteinander zu verbinden. Auf diese Weise bilden das Metallcarbid 2 und die Diamant-Partikel 1 eine Matrix. Das Metall 3 liegt in den Zwischenräumen der Matrix vor.
Ein Verfahren zur Herstellung des obigen Wärmesenke-Materials zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Fig. 2 bis 7 zeigen schematisch die Herstellstufen eines Wärmesenke-Materials zur Verwendung mit einer Halbleiter- Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich Fig. 2, werden Diamant-Partikel 1 in ein Gefäß 5 gegeben.
Was nun Fig. 3 betrifft, wird ein Metall 2a in Kontakt mit Diamant-Partikeln 1 bereitgestellt. Das Metall 2a umfasst eine Legierung aus z. B. Ti (der Metall-Komponente für ein Metallcarbid) und aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Cu, Al und aus Au. Eine bevorzugte Metall-Komponente, die sich von Ti unterscheidet, ist Zr oder Hf, wobei aber auch Kombinationen von Metallen verwendet werden können, die aus den Gruppen 4a bis 7a des Periodensystems ausgewählt sind. Im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften ist die Menge von Ti vorzugsweise klein, eine zu kleine Menge von eingebrachtem Ti ist allerdings ineffektiv. Somit enthält die Legierung 2a 0,1 bis 8,0 Gew.-% Ti.
Bezüglich Fig. 4, wird das Metall 2b durch Erhitzen geschmolzen. Das geschmolzene Metall 2b durchwandert die Zwischenräume der Diamant-Partikel 1, und Ti, das im geschmolzenen Metall 2b vorliegt, reagiert mit dem Diamant, um ein Metallcarbid 2 zu bilden, das TiC auf der Oberfläche der Diamant-Partikel 1 umfasst. Abhängig von den Bedingungen, kann Graphit (nicht gezeigt) gegebenenfalls gleichzeitig beim Erhitzen gebildet werden. Der Graphit wird aus dem Diamant erhalten.
Mehr Graphit wird tendenziell bei erhöhter Schmelztemperatur des Metalls 2a und bei erhöhter Erhitzungsdauer gebildet. Die Verwendung einer Legierung für das Metall 2a, das später geschmolzen wird, ist wirkungsvoll, weil der Schmelzpunkt erniedrigt werden kann, um eine Schädigung des Diamants zu vermeiden und die Graphit-Menge herabzusetzen, die durch die Erhitzung gebildet wird.
Graphit ist bezüglich der Wärmeleitfähigkeit Diamant unterlegen; manchmal funktioniert er allerdings wirkungsvoll, um die Diamant-Partikel zu binden. Ausserdem stellt das Vorliegen von Graphit in kleiner Menge kein Problem dar, weil es die Wärmeleitfähigkeit des Materials als Ganzes nicht sehr beeinflusst.
Das Metall 2b kann durch Erhitzen im Vakuum verdampft werden.
Bezüglich Fig. 5 ist ersichtlich, dass nur Diamant 1 und Metallcarbid 2 zurückbleiben, nachdem das Metall 2b verdampft worden ist. Die entstandene Struktur umfasst Diamant-Partikel 1, die in die Matrix aus dem Metallcarbid 2 eingebettet vorliegen. Diamant 1 liegt als Partikel vor, und die Partikel sind nicht in Kontakt. Allerdings sind die durch das obige Verfahren gebildeten Diamant-Partikel 1 miteinander durch das Metallcarbid verbunden und daran gehindert, sich wieder voneinander zu trennen. Zwischenräume können in der Matrix aus Diamant-Partikeln 1 und dem Metallcarbid 2 vorgefunden werden.
Was nun Fig. 6 betrifft, liegt ein Metall 3a in Kontakt mit der Matrix aus Diamant-Partikeln 1 und dem Metallcarbid 2 vor. Das Metall 3a umfasst mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Cu, Al und aus Au. Durch Schmelzen des Metalls 3a dringt das Metall 3a leicht in die Zwischenräume der Matrix aus den Diamant-Partikeln 1 und dem Metallcarbid 2 ein, um dadurch die Zwischenräume auszufüllen. Für das Metall 3a, das geschmolzen und zur Infiltration verwendet wird, ist ein elementares Metall bevorzugt, weil es eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei Verwendung einer Legierung aus zwei oder mehr Typen eines Metalls können andererseits die Zwischenräume leichter wegen des erniedrigten Schmelzpunktes ausgefüllt werden. Allerdings ist die Verwendung einer Legierung insofern unvorteilhaft, weil sie die entstandene Wärmeleitfähigkeit verringert. Somit wird ein Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiter- Komponente, wie in Fig. 7 dargestellt, hergestellt.
Im so hergestellten Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente werden die Diamant-Partikel 1, das Metallcarbid 2 und das Metall 3 in dichtem Kontakt miteinander sowohl thermisch als auch mechanisch gebracht, und dies ergibt einen Wärmeausdehnungskoeffizent, der nahe am Wert eines Halbleiter-Materials liegt. Demzufolge funktioniert das sich ergebende Material hinreichend gut als ein Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiter- Komponente.
Ein Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiter- Komponente kann auch gemäß einem weiteren Verfahren hergestellt werden.
Fig. 8 bis 12 zeigen schematisch die Stufen zur Herstellung eines Wärmesenke-Materials zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezüglich Fig. 8, werden Diamant- Partikel 1 in ein Gefäß 5 gegeben.
Was nun Fig. 9 betrifft, werden ein Metall 2a und ein Metall 3a in Kontakt mit den Diamant-Partikeln 1 bereitgestellt. Das Metall 2a umfasst eine Legierung aus z. B. Ti (der Metall- Komponente für ein Metallcarbid) und aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Cu, Al und aus Au. Das Metall 3a umfasst eine Legierung, enthaltend mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Cu, Al und aus Au, die aber frei von Ti (der Metall- Komponente für ein Metallcarbid) sind.
Eine bevorzugte Metall-Komponente für das Metallcarbid, die sich von Ti unterscheidet, ist Zr oder Hf, wobei aber auch Kombinationen von Metallen verwendet werden können, die aus den Gruppen 4a bis 7a des Periodensystems ausgewählt sind. Im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften ist die Ti-Menge klein, eine zu kleine Menge an eingebrachtem Ti ist allerdings inneffektiv. Somit enthält die Legierung 2a vorzugsweise 0,1 bis 8,0 Gew.-% Ti.
Bezüglich Fig. 10, wird nur Metall 2b durch Erhitzen geschmolzen. Das geschmolzene Metall 2b durchwandert die Zwischenräume der Diamant-Partikel 1, und in das geschmolzene Metall 2b eingebrachtes Ti reagiert mit Diamant zur Bildung eines Metallcarbids (TiC) 2 auf der Oberfläche der Diamant- Partikel 1. Abhängig von den Bedingungen, kann Graphit (nicht gezeigt) gegebenenfalls gleichzeitig beim Erhitzen gebildet werden. Der Graphit wird aus Diamant erhalten. Mehr Graphit wird tendenziell bei Erhöhung der Schmelztemperatur des Metalls 2b und bei Verlängerung der Erhitzungsdauer gebildet.
Sobald das Metall 2b geschmolzen ist, schmilzt das damit in Kontakt stehende Metall 3a ebenfalls leichter. Sogar wenn der Schmelzvorgang des Metalls 2b das Schmelzen von Metall 3a nicht erleichtert, kann das Metall 3a durch Erhöhung der Temperatur auf den Schmelzpunkt des Metalls 3a oder höher geschmolzen werden. Auf diese Weise infiltriert das geschmolzene Metall 3a die Zwischenräume der Matrix aus Diamant-Partikeln 1 und dem Metallcarbid 2.
Was nun Fig. 11 betrifft, werden, bei Durchführung des zweistufigen Schmelzverfahrens zum Schmelzen der Metalle 2a und 3a, zuerst eine Matrix aus den Diamant-Partikeln 1 und dem Metallcarbid 2 und dann eine Struktur aus dem Metall 2a oder 3a gebildet, welche in die Zwischenräume der Matrix eingebracht werden. Somit wird ein Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente erhalten, wie in Fig. 12 dargestellt.
Zur Schmelzpuktserniedrigung ist das Metall 2a vorzugsweise eine Legierung. Allerdings ist die Verwendung einer Legierung in einer Hinsicht unvorteilhaft, weil dies die Gesamtwärmeleitfähigkeit beeinträchtigt. Somit wird, im vorliegenden Verfahren, reines Metall bevorzugt für das Metall 3a verwendet, um es auf diese Weise zu ermöglichen, die Wärmeleitfähigkeit der Legierung aus den Metallen 2a und 3a auf einem hinreichend hohen Niveau zu halten.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird nun noch detaillierter unter Bezug auf Beispiele beschrieben, es sollte jedoch angemerkt sein, dass die vorliegende Erfindung nicht nur darauf eingeschränkt ist.

Beispiel 1

Diamant-Partikel 1 mit einem Gewicht von 0,5 g und einem Durchschnittsdurchmesser von 10 bis 700 um wurden in ein Quarz-Gefäß 5 mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Höhe von ca. 10 mm (Fig. 2) gegeben, und danach wurde ein Metall- Block, enthaltend 0,2 bis 2,0 g aktives Silber-Lot 2a (enthaltend Ag, Cu und Ti in einem Verhältnis von Ag : Cu : Ti = 0,7 : 0,28 : 0,02), darauf montiert (Fig. 3). Der Zusammenbau wurde dann in einem Temperaturbereich von ca. 900 bis 1100ºC im Vakuum (10&supmin;&sup5; Torr) 3 bis 10 min lang gehalten (Fig. 4). Auf diese Weise infiltrierte das aktive Silber-Lot 2a die Zwischenräume der Diamant-Partikel 1, und das restliche geschmolzene Metall 2b wurde verdampft, um einen porösen Körper aus Diamant-Partikeln 1 zu erhalten, die durch TiC 2 aneinander gebunden sind, um eine Matrix zu bilden (Fig. 5). Dann wird ein Block aus Ag, Cu oder aus Al auf dem sich ergebenden porösen Körper montiert, worauf das Ganze im Vakuum (10&supmin;&sup5; Torr) geschmolzen wurde, wobei die Temperatur 2 min lang bei ca. 970, 1100 bzw. 800ºC gehalten wurde. Somit ließ man Ag, Cu oder Al die Poren ausfüllen (Fig. 6). Dadurch wurden Proben 10 erhalten, die jeweils einen porösen Körper aus Diamant-Partikeln 1 und TiC 2 umfassen, deren Poren mit Ag, Cu oder Al 3 ausgefüllt sind (Fig. 7). Die Wärmeleitfähigkeit der so erhaltenen Proben wurde gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 zusammengefasst: Tabelle 1 Tabelle 2
Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, dass Ag, Cu oder Al wirkungsvoll als ein Metall fungieren, um in die Struktur infiltriert zu werden, und dass eine Wärmeleitfähigkeit von 500 W/mK oder höher durch Verwendung eines solchen Metalls erzielt wird. Ferner ist herausgefunden worden, dass Diamant- Partikel mit einem Durchmesser von 60 um oder größer wirkungsvoll sind, eine Wärmeleitfähigkeit zu ergeben, die nicht höher als die des infiltrierten Metalls ist. Ebenfalls ist herausgefunden worden, dass bessere Eigenschaften durch Absenkung der Menge an Silber-Lot erhalten werden. Allerdings weist Silber-Lot eine wichtige Funktion auf, um TiC zu bilden, weil es, wenn die entsprechende Menge 0,3 g oder weniger wird, schwierig ist, das gewünschte Material zu bilden.
Obwohl sich der Wärmeausdehnungskoeffizient in Abhängigkeit vom Volumen-Anteil des Diamants unterscheidet, wird ein Wert im Bereich von 7 bis 12 ppm/K im Durchschnitt für den Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 500ºC erhalten. Dieser Wert für den Wärmeausdehnungskoeffizient fällt zwischen diejenigen für ein Metall (von 16 bis 20 ppm/K) und denjenigen von Diamant (2 ppm/K).

Beispiel 2

Diamant-Partikel 1 mit einem Gewicht von 0,5 g und einem Durchschnittsdurchmesser von 10 bis 700 um wurden in ein Quarz-Gefäß mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Höhe von 10 mm gegeben (Fig. 8), und es wurde danach ein Metallblock, enthaltend 0,2 bis 2,0 g aktives Silber-Lot 2a (enthaltend Ag, Cu und Ti in einem Verhältnis von Ag : Cu : Ti = 0,7 : 0,28 : 0,02) zusammen mit 0 bis 2 g Ag oder Cu 3a (Fig. 9), darauf montiert, und es wurde der Zusammenbau bei einer Temperatur von 930ºC im Vakuum (10&supmin;&sup5; Torr) 1 bis 3 min lang gehalten (Fig. 10). Auf diese Weise infiltrierte das aktive Silber-Lot 2a zuerst die Zwischenräume der Diamant-Partikel 1. Dann wurde die entstandene Struktur bei einer Temperatur von 980ºC im Vakuum (10&supmin;&sup5; Torr) 1 bis 3 min lang gehalten. Diesmal wurden Ag oder Cu 3a geschmolzen und die Zwischenräume der Struktur infiltriert (Fig. 11). So wurde TiC 2 auf der Oberfläche der Diamant-Partikel 1 gebildet, und es wurde eine Probe 10 aus Ag oder Cu 3a, die in die Poren des entstandenen porösen Körpers eingebracht waren, der durch Diamant-Partikel 1 und TiC 2 gebildet wurde, erhalten (Fig. 12). Zusätzlich zu TiC 2 wurde auch Graphit vorgefunden, der sich unter hohen Temperaturbedingungen gebildet hatte. Die Wärmeleitfähigkeit der entstandenen Probe wurde gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 angegeben: Tabelle 3 Tabelle 4
Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, dass ein anderes Metall zusammen mit einem aktiven Silber-Lot eingebracht werden kann, und dass diese getrennt geschmolzen und zur Infiltration gebracht werden können; und es sind dadurch Specimen mit einer Wärmeleitfähigkeit von 450 W/mK oder höher erhältlich; die Diamant-Partikel mit einem Durchmesser von 60 um oder größer umfassen. Ferner ist herausgefunden worden, dass bessere Eigenschaften bei Absenkung der Menge des aktiven Silber-Lots erhalten werden. Allerdings spielt Silber-Lot eine wichtige Rolle bei der Bildung von TiC, weil es, wenn die entsprechende Menge 0,2 g oder weniger beträgt, schwierig ist, das Material zu bilden. Ausserdem sinkt die Wärmeleitfähigkeit mit steigender Menge des aktiven Silber- Lots. Demzufolge ist die Einbringung von aktivem Silber-Lot alleine vollkommen ineffektiv.
Wie im Beispiel 1, fällt ferner der Wert für den Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 500ºC in einen Bereich von 7 bis 12 ppm/K im Durchschnitt.

Beispiel 3

In Fig. 13a und 13b bis Fig. 18a und 18b sind schematisch die Verfahrensstufen zur Herstellung einer Wärmesenke zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß diesem Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es sind Fälle verschiedener Formen parallel zueinander dargestellt.
Bezüglich Fig. 13a und 13b, werden Diamant-Partikel 1 mit einem Durchschnittsdurchmesser von 10 bis 700 um in jedes der Quarz-Gefäße 15a und 15b gegeben, die sich bei der Innenform voneinander unterscheiden.
Bezüglich Fig. 14a und 14b, wurde ein Block 2a aus aktivem Silber-Lot auf den Diamant-Partilen 1 montiert und geschmolzen, wobei die sich ergebende Struktur im Temperaturbereich von ca. 900 bis 1100ºC im Vakuum (10&supmin;&sup5; Torr) 3 bis 10 min lang gehalten wurde.
Auf diese Weise infiltrierte, bezüglich Fig. 15a und 15b, das geschmolzene aktive Silber-Lot 2b die Zwischenräume der Diamant-Partikel 1, und nachdem ein Metallcarbid durch die Reaktion mit den Diamant-Partikeln 1 gebildet worden war, wurde das restliche geschmolzene Metall 2b verdampft.
Somit werden, bezüglich Fig. 16a und 16b, poröse Körper erhalten, die jeweils Diamant-Partikel 1 umfassen, die durch TiC 2 gebunden sind.
Bezüglich Fig. 17a und 17b, wurde danach ein Metall-Block 3a aus Ag, Cu oder aus Al auf dem entstandenen porösen Körper montiert und im Vakuum (10&supmin;&sup5; Torr) geschmolzen, wobei die Temperatur bei ca. 970, 1100 oder 800ºC 2 min lang gehalten wurde. Somit ließ man das Metall 3a die Poren ausfüllen. Durch Anwendung von Formen unterschiedlicher Gestalt wurden Wärmesenken zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente erhalten, welche eine relativ frei wählbare Gestalt aufweisen, wie in Fig. 18a und 18b dargestellt.

Beispiel 4

Fig. 19 ist eine schematische Perspektiv-Ansicht, die die Wärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die an eine Halbleiter-Komponente gebunden und damit verpackt wird. Bezüglich Fig. 19, wird eine Halbleiter-Komponente 30, enthaltend Si oder GaAs als das prinzipielle Material, elektrisch in Kontakt gebracht, die entstandene Struktur wird in einer Verpackung 20 eingeschlossen, und die Wärmesenke- Seite 10 wird in Kontakt mit einer Wärmeleitung 40 gebracht. Die Halbleiter-Komponente 30 wurde in Betrieb gesetzt, um die Wärmestrahlung zu testen. Eine Flosse wurde auf der Rückseite der Wärmesenke angeordnet, um Wärme freizusetzen und abzuführen.
Als Ergebnis wurde ermittelt, dass der Wärmewiderstand durch Anwendung der vorliegenden Erfindung als die Wärmesenke 10 anstelle von Cu absank. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5
Ferner wurde, bei Verwendung eines Metall-Lots zur Bindung der Wärmesenke 10 an die Halbleiter-Komponente 30, herausgefunden und festgestellt, dass es notwendig ist, 2 oder mehr Diamant-Partikel in die Verbindungsebene der Wärmesenke einzubringen, die unter der Halbleiter-Komponente 30 angeordnet wird.
Wie oben beschrieben, weist das Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung einen Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem eines Halbleiter-Materials und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Demzufolge wird, durch Einbettung der Wärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Halbleiter-Verpackungsvorrichtung, die Wärme, die beim Zusammenbau der Vorrichtung oder beim Betrieb der Halbleiter- Komponente erzeugt wird, wirksam freigesetzt und abgeführt.
Indem die Erfindung im Detail und unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, ist es für den Durchschnittsfachmann ohne weiteres und unmittelbar erkennbar, dass verschiedene Abänderungen und Modifikationen vorgenommen werden können.

Claims

1. Wärmesenke-Material zur Verwendung mit einer Halbleiterkomponente (30), umfassend eine Vielzahl von Diamant-Partikeln (1), ein Metall (3) und ein Metallcarbid (2) auf der Oberfläche der Diamant- Partikel,

dadurch gekennzeichnet, dass

die genannte Vielzahl der Diamant-Partikel (1) durch das genannte Metallcarbid (2) miteinander verbunden und zusammengehalten wird, um eine Matrix darzustellen, und dass das Metall (3) die Zwischenräume der Matrix ausfüllt.

2. Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1, das ferner in die Matrix eingeschlossenen Graphit aufweist.

3. Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1, worin die Diamant- Partikel (1) einen Durchschnittsdurchmesser von ca. 60 bis ca. 700 um aufweisen.

4. Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1, worin das Metall (3) mindestens eines ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Cu, Au und aus Al.

5. Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1, worin das Metallcarbid (2) mindestens eines ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiC, ZrC und aus HfC.

6. Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1, worin das Metallcarbid (2) 5 Vol.% oder weniger des Materials ausmacht.

7. Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1, worin die Oberfläche des Materials mit einem Metall überzogen ist.

8. Halbleiter-Komponente (30), die mit einer Wärmesenke (10), bestehend aus dem Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1 mittels mindestens einem Isolator, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Diamant, AlN und aus Al&sub2;O&sub3;, verbunden ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmesenke-Materials zur Verwendung mit einer Halbleiter-Komponente, wobei man

- ein Metallcarbid (2) auf der Oberfläche von Diamant-Partikeln (1) bildet, indem man ein Gefäß (5) mit einer Vielzahl der Diamant-Partikel (1) befüllt und dann die äußere Oberfläche der Diamant-Partikel (1) in Kontakt mit einem geschmolzenen ersten Metall (2b) bringt und man

- die Zwischenräume des sich ergebenden Materials mit einem geschmolzenen zweiten Metall (3) imprägniert, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Metallcarbid (2) durch Erhitzen des ersten Metalls (2b) alleine mit den Diamant-Partikeln (1) so gebildet wird, dass die Diamant-Partikel durch das Metallcarbid miteinander verbunden werden und dass nach Verdampfen des Rückstands des ersten Metalls (2b) das zweite Metall (3) geschmolzen wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, worin

- das erste Metall (2b) eine Komponente mit einem Schmelzpunkt umfasst, der niedriger als derjenige der Komponenten ist, die das zweite Metall (3) darstellen, so dass

- nur das erste Metall (2b) geschmolzen wird, um das Metallcarbid (2b) zu bilden, wobei das erste (2b) und das zweite (3) Metall gleichzeitig mit den Diamant- Partikeln (1) erhitzt werden, und dass das zweite Metall (3) danach geschmolzen wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9, worin

- die Schmelzpunkte des ersten (2b) und des zweiten (3) Metalls 1100ºC oder weniger betragen.

12. Verfahren gemäß Anspruch 9, worin

- das erste (2b) und das zweite (3) Metall unter einem Druck von 1000 Atm oder unter Vakuum geschmolzen werden.

13. Halbleiter-Verpackung (20), umfassend eine Halbleiter- Komponente (30), verbunden mit einer Wärmesenke (10) aus dem Wärmesenke-Material gemäß Anspruch 1, worin die Wärmesenke (10) ein Verbindungsteilstück umfasst, in welchem mindestens zwei Diamant-Partikel (1), die im Wärmesenke-Material eingebracht vorliegen, auf der Oberfläche angeordnet sind, die die Wärmesenke (10) mit der Halbleiter-Komponente (30) verbindet.