ヒートシンク並びにヒートシンクを製造するための方法

专利摘要:
複合材料（２）から成るヒートシンク（１）であって、第１の材料（３）と、第２の材料（４）とを有し、第１の材料（３）は電気絶縁体を含有し、第２の材料（４）は電気導体を含有し、ヒートシンク（１）はヒートシンク（１）の主延在平面（１００）に対して平行に第１の面（５）を有しており、ヒートシンク（１）は主延在平面（１００）に対して垂直に第１の面（５）に相対する第２の面（６）を、第１の面（５）に対してほぼ平行に有している、複合材料から成るヒートシンクにおいて、第１の面（５）の領域における第１の材料（３）の材料割合が、第２の面（６）の領域における第１の材料（３）の材料割合よりも大きく設定されている、複合材料から成るヒートシンクを提案する。
公开号:JP2011510502A
申请号:JP2010543403
申请日:2008-11-27
公开日:2011-03-31
发明作者:レオンハルト マティアス
申请人:ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ；
IPC主号:H01L23-36

专利说明:

[0001] 本発明は請求項１の上位概念部に記載のヒートシンクに関するものである。]
[0002] このようなヒートシンクは一般的に公知である。例えば刊行物ＪＰ２００５０４４８４１Ａ、ＷＯ２００４／００５５６６Ａ２、ＥＰ１１６８４３８Ａ２、ＵＳ５８８６４０７Ａ及びＥＰ０８５９４１０Ａ２において、均質な金属炭素から成る複合材料、特に金属・セラミックス複合材料（ＭＭＣ）から成っているヒートシンクが公知になっている。複合材料は、例えば銅又はアルミニウムといった金属から成るマトリックス及びマトリックス内に拡散されている炭素粒子を含有している。均質な複合材料は、特にヒートシンクの第１の面に配置されている半導体装置の出力廃熱の導出のために設けられている。さらに、半導体装置とヒートシンクとの間の熱応力を減じるために、半導体装置基板の熱膨張係数に比較可能な熱膨張係数を備えたヒートシンクが求められる。ＭＭＣベースプレート構造を備えたモジュールの場合、半導体装置は銅により絶縁層に電気的に接触接続され、絶縁層はＭＭＣヒートシンクに配置されており、特に接着されている。その結果、ヒートシンクの熱膨張係数の、絶縁層の熱膨張係数への適合が必要となる。]
[0003] 発明の開示
独立請求項に記載の本発明に係るヒートシンク及びヒートシンクを製造するための本発明に係る方法は、先行技術に比べて、ヒートシンク自体に第１の材料から成る絶縁層が組み込まれており、その結果、絶縁層の熱膨張係数はその他のヒートシンクの熱膨張係数に明らかに良好に適合させられており、それと同時に著しく良好な絶縁層と他のヒートシンクとの熱連結が達成され、さらに絶縁層は機械的に安定して他のヒートシンクと結合されている。特に有利には、他のヒートシンクと絶縁層との素材結合による結合（stoffschluessige Verbindung）のための接着層を完全に省くことができる。したがって、絶縁層における熱はヒートシンクを通じて明らかに迅速に導出されるので、特に半導体構造における過熱損壊は防がれ、その一方で絶縁層における機械的な熱応力若しくは絶縁層と他のヒートシンクとの間の機械的な応力は、絶縁層と他のヒートシンクとの間の著しく細分化している熱膨張係数に基づき、明らかに小さいか若しくは完全に抑制される。ヒートシンクは複合体であり、絶縁性の第１の材料の材料割合は第１の面において、第２の面よりも大きく、その結果、ヒートシンクの第１の面は有利には第１の材料から成る絶縁層であり、第２の面は主に第２の材料を含んでいる。したがって、特に有利には、比較的良好な第２の材料の熱伝導性と、第１の材料の比較的低い導電性との組合せにより、複合体内部において熱膨張係数の比較的良好な適合が実現されており、ひいては複合体内部の熱機械的な応力が先行技術と比べて明らかに小さいことを可能にする。]
[0004] 本発明の有利な構成及び改良形が、従属請求項及び図面に基づく記載から看取可能である。]
[0005] 有利な構成によれば、第２の面の領域における複合材料中の第２の材料の材料割合は、第１の面の領域における第２の材料の材料割合よりも大きくなっている。有利には、第１の面は実質的に第１の材料のみを有している及び／又は第２の面は実質的に第２の材料のみを有しているので、特に有利には第１の面は絶縁層として最小の導電性を有しており、第２の面は最大の熱伝導性を有しており、それと同時に第１の面及び第２の面の間に最大の熱連結が実現されており、第１の面の熱膨張係数と第２の面の熱膨張係数との最大限の適合が実現されている。]
[0006] 別の有利な構成によれば、複合材料中の第１の材料の材料割合は、主延在方向に対して垂直に第１の面から第２の面に向かって、特に連続的に、単調に及び／又は段階的に減少し、その一方で複合材料中の第２の材料の材料割合は、主延在方向に対して垂直に第１の面から第２の面に向かって、特に連続的に、単調に及び／又は段階的に増大する。したがって特に有利には、複合材料内部の熱応力は最小になる。その理由は、有利には主延在方向に対して垂直方向への、第１の材料の高い材料割合から第２の材料の高い材料割合への連続的な移行により、この方向での熱膨張係数の比較的顕著な飛躍個所が生じないからである。これと同時に第１及び第２の材料間の熱連結は最大限に達成される。]
[0007] さらに別の有利な構成によれば、第１の材料は多孔性を有している。多孔率は、主延在方向に対して垂直に第１の面から第２の面に向かって高まり、有利には第１の材料の細孔サイズ及び／又は細孔密度は平均して、主延在方向に対して垂直に第１の面から第２の面に向かって増大し、特に有利には細孔は第２の材料によって充填されている。特に簡単かつ廉価に製造可能には、第１及び第２の面の間の第１の材料の種々異なる材料割合は、第１の材料における細孔サイズ及び／又は細孔密度の変更により実現可能である。択一的には、特に細孔サイズ及び／又は細孔密度に関して第２の材料の多孔率の変更が、主延在方向に対して垂直に考慮可能でもある。]
[0008] さらに別の有利な構成によれば、複合材料は主延在方向に対して垂直に複数の複合材料層を有している。特に第１の材料と第２の材料との比率は複合材料層間においてそれぞれ種々異なっており、特に簡単かつ廉価な形式において、第１及び第２の面の間において第１の材料の種々異なる材料割合を有する複合体が製造可能である。特に複数の複合材料層を有する複合体が考慮可能である。第１の面近傍の複合材料層の第１の材料と第２の材料との比率は、第２の面近傍の複合材料層に対して比較的小さな段階で及び／又は単調に増大するか又は減少するように変化する。]
[0009] さらに別の有利な構成によれば、第１の材料は第２の材料と形状接続（formschluessig：形状による束縛）及び／又は摩擦接続（kraftschluessig：摩擦による束縛）により結合されている、及び／又は第１の材料は第２の材料と共に相互侵入網目を形成する。第１及び第２の材料間の形状接続及び／又は摩擦接続による結合は、有利には第１の材料の細孔を第２の材料により充填することによりもたらされる。特に有利には、第１及び第２の材料間の形状接続及び／又は摩擦接続による結合により、ヒートシンク内部の機械的な負荷耐性は従来技術と比べて著しく向上している。]
[0010] さらに別の有利な構成によれば、第１の材料は主延在平面に対して垂直に、有利には０〜９５ｖｏｌ％、特に有利には０〜６５ｖｏｌ％の多孔度の延在を有しており、第１の面は、極めて特に有利には主延在平面に対して垂直に、少なくとも５０μｍの厚さの、第１の材料からほぼ完全に成る複合材料層を有しており、その結果、絶縁層の小さな導電性の特性と、ヒートシンクの良好な熱伝導性、及び熱膨張係数の良好な適合が比較的良好に実現されている。]
[0011] さらに別の有利な構成によれば、第１の材料はセラミックス製の材料、有利には酸化物、窒化物及び／又は炭化物、特に有利にはＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４及び／又はＳｉＣ、極めて特に有利にはＡｌ２Ｏ３を含有し、第２の材料は金属製の材料、有利には銅、銅合金、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を含有する。特に有利にはセラミックス製の材料は比較的低い導電性を有しているので、絶縁層の高い絶縁性に対する要求は満たされている。金属製の材料は比較的良好な熱伝導性を有しているので、同時にヒートシンクの良好な冷却性に対する要求を満たすことができる。]
[0012] 本発明の別の対象は、ヒートシンクを備えたアッセンブリである。ヒートシンクの第１の面には少なくとも１つの電気構成素子、電子構成素子及び／又はマイクロメカニクス構成素子及び／又は導体路及び／又は結合層が配置されている。有利には第１の面は少なくとも部分的に金属層、特に有利には少なくとも部分的にアルミニウム及び／又は銅層によって覆われている。電気的に絶縁しているヒートシンクの絶縁層に基づき、電気構成素子、電子構成素子及び／又はマイクロメカニクス構成素子の接触接続のために、特に有利には導体路の被着が絶縁層に直接可能になるので、上記アッセンブリによりＤＢＣスタックの実施が不要になる。]
[0013] 本発明のさらに別の対象はヒートシンクを製造する方法である。第１の方法ステップにおいて、主延在平面に対して垂直に所定の多孔率勾配を有するプリフォームが、第１の材料から製造される。第２の方法ステップにおいてプリフォームの細孔は第２の材料によって充填される。したがって本発明に係るヒートシンクの製造は、比較的簡単で良好に制御可能な、単に２つの作業ステップにおいて可能であり、製造は比較的廉価であり、比較的廉価な材料の使用が可能である。]
[0014] 有利な構成によれば、プリフォームは第１の方法ステップにおいてネガ型成形、特にセラミックスラリを用いた、互いに押し合わされたフォーム、有利にはポリウレタンフォームによるネガ型成形により製造される。若しくはプリフォームは第１の方法ステップにおいてスラリ加圧ろ過及び後続の焼結により製造され、有利にはまずスラリ型が、種々異なる組成の２つのスラリによって充填され、２つのスラリの比率が連続的に変えられ次いで加圧ろ過及び焼結方法によりプリフォームは製造される。若しくはプリフォームは第１の方法ステップにおいて粉末加圧成形により製造され、有利には種々異なる組成の粉末がダイ内においてドクターブレードにより重ねてコーティングされ次いで圧縮される。若しくはプリフォームは第１の方法ステップにおいて、複数のグリーンボディプレートの積層及び焼結により製造され、有利には焼結時に種々異なる多孔率をもたらすグリーンボディプレートを互いに積層する。若しくはプリフォームは第１の方法ステップにおいて、種々異なる多孔率のプレートの積層及び結合により製造され、有利にはセラミックプレートは互いに積層されて結合のために互いに後から焼結される。若しくはプリフォームは第１の方法ステップにおいて、鋳込成形方法（Giessverfahren）により、特にシート成形方法（Foliengiessverfahren）により製造され、有利にはシート成形技術において種々異なる組成のスラリが重ねて注型され次いで焼結される。若しくは第２の方法ステップが含浸方法を有しており、有利にはプリフォームは第２の材料によって含浸され、特に有利には、第２の材料は第２の方法ステップ前に液状の凝集状態に変えられる。つまり、特に有利にはヒートシンクの製造は複数の製造方法により可能である。これにより比較的融通がきく、コストに関して最適な製造が実現可能である。製造方法は全体として比較的良好に制御可能で廉価に実施可能である。]
図面の簡単な説明

[0015] 本発明の例示的な第１の実施の形態に係るヒートシンクのアッセンブリの概略的な側面図である。
図２ａは、本発明の例示的な第２の実施の形態に係るヒートシンクを製造するためのプリフォームの概略的な側面図であり、図２ｂは、本発明の例示的な第２の実施の形態に係るヒートシンクの概略的な側面図である。]
[0016] 本発明の実施の形態を図示し、以下に詳細に説明する。]
[0017] 本発明の実施の形態
図１には、本発明の例示的な第１の実施の形態に基づくヒートシンク１のアッセンブリ２０の概略的な側面図が示されている。ヒートシンク１は、第１の材料３と第２の材料４とを備える複合材料２を有する。第１の材料３は電気絶縁体、有利にはセラミックス製の材料を含有し、第２の材料４は電気導体、有利には金属を含有する。ヒートシンク１は、ヒートシンク１の主延在平面１００に対して平行に第１の面５を有している。ヒートシンク１は主延在平面１００に対して垂直に、第１の面５に相対する第２の面６を、第１の面５に対してほぼ平行に有している。第１の面５の領域における第１の材料３の材料割合は、第２の面６の領域における第１の材料３の材料割合よりも大きく、複合材料２において第２の面６の領域における第２の材料４の材料割合は、第１の面５の領域における第２の材料４の材料割合よりも大きい。その結果、特に第１の面は実質的に第１の材料３のみを有しており、第２の面６は実質的に第２の材料４のみを有している。複合材料２中の第１の材料３の材料割合は、主延在方向１００に対して垂直方向に第１の面５から第２の面６へ向かって特に段階的に減少し、複合材料２における第２の材料４の材料割合は、主延在方向１００に対して垂直方向に第１の面５から第２の面６へ向かって特に段階的に増大する。複合材料２は主延在方向に対して垂直に複数の複合材料層７を有し、第１の材料３対第２の材料４の比率は、複数の複合材料層７の間においてそれぞれ異なっている。有利には、第１の材料３は多孔性である。多孔率は主延在方向１００に対して垂直方向に第１の面５から第２の面６へ向かって増大し、特に第１の材料３の細孔サイズと細孔密度とは主延在方向１００に対して垂直に第１の面５から第２の面６へ向かって平均して増大し、細孔１０は第２の材料４によって充填されている。第２の材料４による第１の材料３の細孔１０の充填により、第１の材料３は第２の材料４によって少なくとも部分的に形状接続により及び摩擦接続により結合されている。実質的に第１の材料３しか有していない第１の面５の領域における複合材料層７は、主延在方向１００に対して垂直に、少なくとも５０μｍの厚さを有している。ヒートシンク１の第１の面５には半導体構成素子１１が配置されている。第１の面５と半導体構成素子１１との間には、特に銅から成る導体路１１′が配置されている。] 図１
[0018] 図２ａには、本発明の例示的な第２の実施の形態に基づくヒートシンク１を製造するためのプリフォーム１′の概略的な側面図が示されている。プリフォーム１′は第１の材料３だけを有している。プリフォーム１′は複数の細孔１０を有し、細孔密度は主延在平面１００に対して垂直に第１の面５から第２の面６へ向かって連続的に又は段階的に増大する。第１の材料３の材料密度は、第１の面５から第２の面６へ向かって連続的に又は段階的に減少する。プリフォーム１′は、セラミックスラリを用いた互いに圧縮されたポリウレタンフォームによるネガ型成形（Negativabformung）により製造されるか、又は勾配化スラリ加圧ろ過（gradierte Schlicker-Druckfiltration）により製造され、有利には、例えばポアフォーマ又は粒径に関して種々異なる組成のスラリを備えたリーザバからスラリ型は充填される。２つのスラリの比率を特に連続的に変化させ、次いで加圧ろ過によりグリーンボディ若しくは圧粉体を製造する。グリーンボディは、例えばポアフォーマ割合において勾配を有しており、続く焼結プロセスの後に多孔率勾配を備えたプリフォーム１′がもたらされる。択一的にはプリフォーム１′を勾配的な／段階的な粉末加圧加工により製造し、この実施の形態においては、有利には種々異なる組成の粉末をダイにおいてドクターブレードにより重ねてコーティングして次いで圧縮する。粒径又はポアフォーマに関する粉末バリエーションが可能である。又はプリフォーム１′を、焼結条件が同じ場合に粒径又はポアフォーマ割合のバリエーションに基づき種々異なる多孔質をもたらすグリーンボディプレートの積層により製造し、次いでグリーンボディプレートの焼結により製造する。択一的にはプリフォームの製造のために、結合のために互いに後焼結される、種々異なる多孔率のセラミックプレートの重合せが行われているか又はシート成形法が行われている。シート成形技術において、例えば粒径又はポアフォーマ割合に関して種々異なる組成を備えたセラミックス製のスラリを重ねて注型し、次いで焼結する。]
[0019] 図２ｂには、本発明の例示的な第２の実施の形態に基づくヒートシンク１の概略的な側面図が示されている。ヒートシンク１は、図２ａに図示された第１の方法ステップにおいて製造されたプリフォーム１′から成る。プリフォーム１′は第２の方法ステップにおいて溶融金属によって、有利には高圧鋳造技術又はガス圧含浸を介して加圧サポートして含浸される。その結果、細孔１０は第２の材料４によって充填されて、ヒートシンクは有利には第２の面６に、実質的に第２の材料４だけを有する複合材料層７を有する。]

权利要求:

請求項1
複合材料（２）から成るヒートシンク（１）であって、第１の材料（３）と第２の材料（４）とを有し、第１の材料（３）は電気絶縁体を含有し、第２の材料（４）は電気導体を含有し、ヒートシンク（１）は該ヒートシンク（１）の主延在平面（１００）に対して平行に第１の面（５）を有しており、ヒートシンク（１）は主延在平面（１００）に対して垂直に第１の面（５）に相対する第２の面（６）を、第１の面（５）に対してほぼ平行に有している、複合材料から成るヒートシンクにおいて、第１の面（５）の領域における第１の材料（３）の材料割合が、第２の面（６）の領域における第１の材料（３）の材料割合よりも大きいことを特徴とする、複合材料から成るヒートシンク。
請求項2
第２の面（６）の領域における複合材料（２）中の第２の材料（４）の材料割合が、第１の面（５）の領域における第２の材料（１４）の材料割合よりも大きく、有利には第１の面（５）はほぼ第１の材料（３）のみを有している、及び／又は、第２の面（６）はほぼ第２の材料（４）のみを有していることを特徴とする、請求項１記載のヒートシンク。
請求項3
複合材料（２）中の第１の材料（３）の前記材料割合は、主延在方向（１００）に対して垂直に第１の面（５）から第２の面（６）へ、特に連続的に、単調に及び／又は段階的に減少し、複合材料（２）中の第２の材料（４）の前記材料割合は、主延在方向（１００）に対して垂直に第１の面（５）から第２の面（６）へ、特に連続的に、単調に及び／又は段階的に増大することを特徴とする、請求項１又は２記載のヒートシンク。
請求項4
第１の材料（３）は、特に連続気泡型の多孔性を有しており、該多孔性は主延在方向（１００）に対して垂直に第１の面（５）から第２の面（６）へ高まり、有利には第１の材料（３）の細孔サイズ及び／又は細孔密度は平均して主延在方向（１００）に対して垂直に第１の面（５）から第２の面（６）へ増大し、特に有利には細孔（１０）は第２の材料（４）によって充填されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載のヒートシンク。
請求項5
複合材料（２）は前記主延在方向に対して垂直に複数の複合材料層（７）を有しており、特に第１の材料（３）対第２の材料（４）の比率は、複数の複合材料層（７）間においてそれぞれ種々異なっていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載のヒートシンク。
請求項6
第１の材料（３）は第２の材料（４）と形状接続により及び／又は摩擦接続により結合されている、及び／又は、第１の材料（３）は第２の材料（４）と共に相互侵入網目を形成することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項記載のヒートシンク。
請求項7
第１の材料（３）は主延在平面（１００）に対して垂直に、有利には０〜９５ｖｏｌ％、特に有利には０〜６５ｖｏｌ％の多孔度の経過を有しており、極めて特に有利には第１の面（５）は、主延在平面（１００）に対して垂直に少なくとも５０μｍの厚さの、ほぼ完全に第１の材料（３）から成る１つの複合材料層（７）を有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項記載のヒートシンク。
請求項8
第１の材料（３）はセラミックス製の材料、有利には酸化物、窒化物及び／又は炭化物、特に有利にはＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４及び／又はＳｉＣ、及び極めて特に有利にはＡｌ２Ｏ３を含有し、第２の材料（４）は金属製の材料、有利には銅、銅合金、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を含有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項記載のヒートシンク。
請求項9
請求項１から８までのいずれか一項記載のヒートシンク（１）を備えたアッセンブリ（２０）において、ヒートシンク（１）の第１の面（５）に、少なくとも１つの電気的、電子的及び／又はマイクロメカニクスの構成素子（１１）及び／又は導体路（１１′）及び／又は接続層が配置されており、有利には第１の面（５）は少なくとも部分的に金属層によって被覆されており、特に有利には少なくとも部分的にアルミニウム層及び／又は銅層によって被覆されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項記載のヒートシンクを備えるアッセンブリ。
請求項10
請求項１から９までのいずれか一項記載のヒートシンク（１）を製造するための方法において、第１の方法ステップにおいて、主延在平面（１００）に対して垂直に多孔率勾配を有するプリフォーム（１′）を第１の材料（３）から製造し、第２の方法ステップにおいて、前記プリフォームの細孔（１０）を第２の材料（４）によって充填することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項記載のヒートシンクを製造するための方法。
請求項11
プリフォーム（１′）を第１の方法ステップにおいてネガ型成形により製造し、特にスラリを用いた互いにプレスされたフォームによるネガ型成形により製造し、有利にはポリウレタンフォームを使用することを特徴とする、請求項１０記載の方法。
請求項12
プリフォーム（１′）を前記第１の方法ステップにおいてスラリ加圧ろ過及び後続の焼結により製造し、有利にはまずスラリ型を種々異なる組成の２つのスラリによって充填し、２つのスラリの比率を連続的に変更し、次いで前記プリフォームを加圧ろ過及び焼結方法により製造することを特徴とする、請求項１０又は１１記載の方法。
請求項13
プリフォーム（１′）を前記第１の方法ステップにおいて粉末加圧加工により製造し、有利には種々異なる組成の粉末をダイにおいてドクターブレードによって重ねてコーティングし、次いで圧縮することを特徴とする、請求項１０から１２までのいずれか一項記載の方法。
請求項14
プリフォーム（１′）を前記第１の方法ステップにおいて複数のグリーンボディプレートの積層及び焼結により製造し、有利には、前記焼結時に種々異なる多孔率をもたらす複数のグリーンボディプレートを重ねて積層することを特徴とする、請求項１０から１３までのいずれか一項記載の方法。
請求項15
プリフォーム（１′）を前記第１の方法ステップにおいて種々異なる多孔率のプレートの積層および結合により製造し、有利にはセラミックプレートを重ねて積層し、結合するために互いに後焼結することを特徴とする、請求項１０から１４までのいずれか一項記載の方法。
請求項16
プリフォーム（１′）を前記第１の方法ステップにおいて鋳込成形方法、特にシート成形方法により製造し、有利にはシート成形技術において種々異なる組成のスラリを重ねて注型し、次いで焼結することを特徴とする、請求項１０から１５までのいずれか一項記載の方法。
請求項17
前記第２の方法ステップは溶融含浸法を有し、有利にはプリフォーム（１′）に加圧サポートして第２の材料（４）を含浸させ、特に有利には第２の材料（４）を前記第２の方法ステップ前に液状の凝集状態に変えることを特徴とする、請求項１０から１６までのいずれか一項記載の方法。