本发明专利技术涉及一种由含有金刚石复合材料制成的受热器。除了４０～９０体积％的金刚石含量以外，该复合材料还包含０．００５～１２体积％的硅－碳化合物，７～４９体积％的Ａｇ－，Ａｕ－或Ａｌ－富集相和低于５体积％的其它相，Ａｇ－，Ａｕ－或Ａｌ－富集相对碳化硅的体积比大于４，至少６０％的金刚石表面被硅－碳化合物所覆盖。优选的制造工艺包括大气压和压力帮助的渗透技术。该部件特别适合作为半导体元件的受热器。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及作为受热器的部件，该部件由金刚石含量为40～90体积％并且金刚石颗粒平均粒度为5～300μm的复合材料制成，还涉及制造该受热器部件的方法。
技术介绍
受热器(Wrmesenke)广泛用于电子元件的生产中。除了受热器外，半导体元件和机械稳定的包封是电子组合件的必要组成。基材、散热器或支承板等项也常用于受热器。半导体元件包含，例如，单晶硅或砷化镓。它通常用焊接方法作为结合技术与受热器连接。受热器具有将半导体元件在工作时产生的热传导出去的功能。产生特别大量热的半导体元件有，例如，横向扩散的金属氧化物半导体(LDMOS)、激光二极管、中央处理单元(CPU)、微处理器单元(MPU)或高频放大装置(HFAD)。受热器的几何结构根据应用而定，并且可有很大的变化。简单的形式是平板。但是，也使用具有凹穴和阶梯的复杂构造。受热器本身然后与机械稳定的包装或封装连接。和其它材料相比，所使用的半导体材料的热膨胀系数是低的，根据文献的报道，硅的热膨胀系数为2.1×10-6K-1～4.1×10-6K-1，砷化镓为5.6×10-6K-1～5.8×10-6K-1。在工业上没有得到广泛应用的其它半导体材料如Ge，In，Ga，As，P或碳化硅，也具有类似低的膨胀系数。陶瓷材料复合物材料或塑料通常用作封装。陶瓷材料的例子有膨胀系数为6.5×10-6K-1的Al2O3或膨胀系数为4.5×10-6K-1的氮化铝。如果参与元件的膨胀特性不同，则在组合物体中就会产生应力，这会导致变形，导致材料的解体或导致元件的断裂。应力可在封装(包装)物制造的过程中产生，也可在从焊接温度冷却到室温的阶段中产生。但是，温度波动也会在包装的工作期间产生，波动的范围可例如为-50℃～200℃，这会导致包装中的热机械应力。这些因素决定了对用于受热器的材料的要求。首先，它应该具有极高的导热性，以便保持半导体元件在工作时的升温尽可能地低。其次，其热膨胀系数必须尽可能地与半导体元件和封装的热膨胀系数匹配。单相金属材料不能充分符合所要求的性能，因为具有高导热性的材料也具有高热膨胀系数。因此，为了符合所需的性能，使用复合材料或材料复合体来制造基材。例如，在欧洲专利0100232、美国专利4950554和美国专利5493153中所叙述的常规的钨-铜和钼-铜复合材料或材料复合物在室温的导热性为170～250W/(m.K)，其热膨胀系数为6.5×10-6K-1～9.0×10-6K-1，这对于许多应用来说是不充分的。随着日益增加的对受热器导热性的要求，金刚石的和含金刚石的复合材料进入人们的视线。因此，金刚石的导热性是1000～2000W/(m.K)，在晶格点中氮和硼原子的含量对于决定其品质具有特别重要的意义。欧洲专利0521405叙述了一种受热器，它在面对半导体芯片的一侧有多晶形的金刚石层。该金刚石层缺少塑性可变形性，即使在从涂覆温度冷却的过程也可导致金刚石层的碎裂。美国专利5273790叙述了导热性为＞1700W/(m.K)的金刚石复合材料，在这种情况下用来成形的松散的金刚石颗粒通过气相金刚石沉积被转变成稳定的成形体。这样产生的金刚石复合材料用于大批生产的部件从商业角度看是太贵了。WO 99/12866叙述了生产金刚石-碳化硅复合材料的方法。它通过用硅或硅合金渗入金刚石骨架来制造。由于硅的高熔点和由此而来的高渗透温度，金刚石被部分转化为碳，或者随即被转化为碳化硅。由于高脆裂性，该材料的机械成形是大成问题的并且是昂贵的，因此这种复合材料迄今没有用在受热器中。美国专利4902652叙述了制造烧结的金刚石材料的方法。在该方法中，用物理涂覆方法将元素周期表4a，5a和6a族的过渡金属元素、硼和硅沉积在金刚石粉末上。所涂覆的金刚石颗粒随即通过固态烧结方法彼此结合。该方法的缺点在于，所形成的产品具有高的孔隙度，而且对于许多应用来说其热膨胀系数太低。美国专利5045972叙述了一种复合材料，其中金刚石颗粒的粒度为1～50μm，还具有包含铝、镁、铜、银或它们的合金的金属基质。其缺点是，这种金属基质与金刚石颗粒的连接是不能令人满意的，因此，结果是，其导热性和机械整体性不够充分。在美国专利5008737中叙述了使用更细的金刚石粉末，例如粒度＜3μm的金刚石粉末，也不能改善金刚石/金属的粘合。美国专利5783316叙述了一个方法，其中金刚石颗粒用W，Zr，Re，Cr或钛涂覆，所涂覆的颗粒随后被压实，产生的多孔体用例如Cu，Ag或Cu-Ag熔体渗透。用这种方法制造的复合材料的使用由于其高涂覆成本而受到限制。欧洲专利0859408叙述了一种用于受热器的材料，它的基质是用金刚石颗粒和金属碳化物制造的，基质的间隙用金属填满。作为金属碳化物，可提及周期表4a-6a族的金属的碳化物。在欧洲专利0859408中特别强调了TiC，ZrC和HfC。据说Ag，Cu，Au和Al是特别好的填充剂金属。其缺点是，金属碳化物的导热性低，在TiC，ZrC，HfC，VC，NbC和 TaC的情况下，其范围在10～65W/(m.K)。还有的缺点是，周期表4a-6a族的金属在填充剂金属(例如银)中有一定的溶解性，结果，金属相的导热性大为降低。欧洲专利0893310叙述了一种受热器，其包含金刚石颗粒和具有高导热性的金属或金属合金(金属为Cu，Ag，Au，Al，Mg，An)以及周期表4a，5a族的金属和Cr的金属碳化物，该金属碳化物覆盖至少25％的金刚石颗粒的表面。同样，周期表4a，5a族和Cr的碳化物的导热性差，以及这些元素在Cu，Ag，Au，Al，Mg，Zn中的高溶解性，和与此有关的导热性降低都是缺点。近年来，半导体元件的加工速度和集成化程度都有很大提高，这也导致包装中热释放的增加。因此，最佳的热控制是一个更加重要的判断标准。上述材料的导热性对于许多应用不再是充分的，或者它们的生产对于广泛的使用来说太昂贵。对于进一步优化半导体元件，改进的、便宜的受热器的获得是一个前提条件。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是为了提供可用作受热器元件的复合材料，该材料具有高导热性、低膨胀系数，并结合能够廉价制造的加工性能。该目的通过权利要求1所主张的元件而达到。本专利技术的元件在金刚石颗粒和银-(Ag-)，金-(Au-)，或铝-(Al-)富集相之间表现优良的粘合，这是由于在它们之间形成的硅-碳化合物的缘故。为了达到这样的结合，该硅-碳化合物的厚度在纳米范围，或覆盖度＞60％已经足够。为了本专利技术的目的，覆盖度是被硅-碳化合物覆盖的金刚石颗粒的表面的比例。在这样的前提下，这相应于硅-碳化合物的体积含量＞0.005％。与金属碳化物相比，碳化硅具有约250W/(m.K)的极高的导热性。因为在室温下，硅(Si)在Ag，Au和Al中的溶解性极低，这些金属在纯态下的极高导热性只有轻微的降低。Ag，Au或Al与铜(Cu)或镍(Ni)的合金同样具有足够高的导热性，不会被少量溶解的Si降低到不可接受的高程度。而且，由于极具延性的Ag，Au或Al微结构组分，可以确保充分程度的机械可成形性。廉价制造的另一个优点是，高导热性的Ag-，Au-，或Al-富集微结构组分可以减少金刚石含量。金刚石、碳化硅和金属相含量的变化有可能通过调节导热性和热膨胀，制造出符合各种要求的受热本文档来自技高网...
【技术保护点】
作为受热器的部件，由含４０～９０体积％的金刚石、金刚石颗粒的平均粒度为５～３００μｍ的复合材料制成，其特征在于，所述的复合材料包含０．００５～１２体积％的硅－碳化合物，７～４９体积％的Ａｇ－，Ａｕ－或Ａｌ－富集相和低于５体积％的其它相，Ａｇ－，Ａｕ－或Ａｌ－富集相对硅－碳化合物的体积比大于４，至少６０％的金刚石颗粒表面被硅－碳化合物覆盖。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】AT 2003-3-11 GM 164/20031.作为受热器的部件，由含40～90体积％的金刚石、金刚石颗粒的平均粒度为5～300μm的复合材料制成，其特征在于，所述的复合材料包含0.005～12体积％的硅-碳化合物，7～49体积％的Ag-，Au-或Al-富集相和低于5体积％的其它相，Ag-，Au-或Al-富集相对硅-碳化合物的体积比大于4，至少60％的金刚石颗粒表面被硅-碳化合物覆盖。2.如权利要求1所述的部件，其特征在于，所述的硅-碳化合物是SiC。3.如权利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述的Ag-，Au-或Al-富集相包含至少95原子％的所述各元素。4.如权利要求1至3任一项所述的部件，其特征在于，所述的Ag-，Au-或Al-富集相还包含Cu和/或Ni。5.如权利要求4所述的部件，其特征在于，所述的含Cu和/或Ni的Ag-，Au-或Al-富集相还包含Si。6.如权利要求1至5任一项所述的部件，其特征在于，所述的复合材料含有0.1～4.5体积％的游离硅。7.如权利要求1至5任一项所述的部件，其特征在于，所述的复合材料含有0.1～4.5体积％的游离碳。8.如权利要求1至7任一项所述的部件，其特征在于，所述的硅-碳化合物主要或完全由硅与金刚石的碳的反应形成。9.如权利要求1至8任一项所述的部件，其特征在于，金刚石粒度为50～150μm。10.如权利要求1至9任一项所述的部件，其特征在于，所述的复合材料包含0.01～12体积％的碳化硅和7～49体积％的Ag-，Au-或Al-富集相。11.如权利要求1至10任一项所述的部件，其特征在于，所述的复合材料包含0.01～7体积％的碳化硅和7～49体积％的Ag。12.如权利要求1至11任一项所述的部件，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：阿恩特吕特克，
申请(专利权)人：普兰西欧洲股份公司，
类型：发明
国别省市：AT[奥地利]
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