DE69009429T2

DE69009429T2 - Kühlkörper mit verbesserter Lebensdauer und thermischer Leitfähigkeit.

Info

Publication number: DE69009429T2
Application number: DE69009429T
Authority: DE
Inventors: Yugaku Abe; Mitsuo Osada
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: EP0435155B1; DE69009429D1; EP0435155A1; US5448107A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein einen Kühlkörper, und insbesondere einen leichten Kühlkörper mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit.

Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zum Unterbringen eines Halbleiters. Die Halbleiteraufnahmevorrichtung 1 umfaßt ein Substrat 4 zum Anbringen einer Halbleitereinrichtung 3 und eine Packelement 5 mit einem Raum zum Unterbringen der Halbleitereinrichtung 3 und zum Stützen des Substrats 4 von unten. Das Packelement 5 hat darunter ein Anschlußstück 6. Ein Bleidraht 21 ist elektrisch mit der Halbleitereinrichtung 3 verbunden.
In letzter Zeit wurden die Arbeitsgeschwindigkeit und die Leistung der integrierten Schaltkreise gesteigert, und die integrierten Schaltkreise wurden mit höheren Frequenzen verwendet, so daß die durch die Halbieitereinrichtung erzeugte Heizleistung gesteigert wurde. Die in Fig. 11 gezeigte Aufnahmevorrichtung kann die Wärme nicht in ausreichendem Maße nach außen abgeben. Dementsprechend gab es viele Nachfragen nach Kühlkörpern zum Ableiten von erzeugter Wärme zur Außenseite der Halbleiteraufnahmevorrichtung 1. Die Kühlkörper müssen von der Art her leicht sein und einen hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Fig. 12 ist eine Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen Halbleiteraufnahmevorrichtung mit einem Kühlkörper. Die Halbleiteraufnahmevorrichtung von Fig. 12 weist einen Kühlkörper 2 auf, der an der Halbleiteraufnahmevorrichtung von Fig. 11 angebracht ist. Das Substrat 4 ist aus einem Mb-W- oder Cu-W- Verbundwerkstoff gebildet. Das Packelement ist aus Aluminiumoxid hergestellt. Das Anschlußstück 6 ist aus Kovar (29% Ni - 17% Co - Fe) hergestellt. Der Kühlkörper 2 ist aus einer Aluminiumlegierung, die vom Gewicht her leicht ist, hergestellt. Der Kühlkörper 2 ist mittels einer Schraube 7, die an der Rückseite des Substrats 4 vorgesehen ist, an der Rückfläche des Substrats 4 befestigt.
Fig. 13 ist ein Querschittsdarstellung einer herkömmlichen kompakten Halbleiteraufnahmevorrichtung mit einem Kühlkörper. Das in Fig. 13 gezeigte herkömmliche Beispiel ist abgesehen von den folgenden Punkten dasselbe wie das von Fig. 11 und deshalb sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen und die Beschreibung dafür wird nicht wiederholt.
Um das Element kompakt zu machen, sind die Flügel 2a des Kühlkörpers 2 so ausgebildet, daß sie sich nach oben vorstehen. Der Kühlkörper 2 ist mit einem Klebstoff 8, der einen Füllstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit umfaßt, an dem Substrat 4 befestigt.
Die herkömmliche Halbleiteraufnahmevorrichtung mit dem wie oben beschrieben ausgebildeten Kühlkörper hat folgende Vorteile. Wenn nämlich der Kühlkörper 2 mit einer Schraube 7 mit dem Substrat 4 verbunden ist, wie in Fig.12 gezeigt ist, kann die Berührungsfläche zwischen dem Kühlkörper 2 und dem Substrat 4 nicht ausreichend groß gemacht werden, so daß die Wärmeabstrahlung unzureichend ist. Wenn jedoch der Kühlkörper 2 und das Substrat 4 mit einem Klebemittel 8 verbunden sind, wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist die Wärmeableitung auch unzureichend, da die Wärmeleitfähigkeit des Klebemittels 8 gering ist. Bei der in Fig. 13 gezeigten Halbleiteraufnahmevorrichtung unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient der Packelementseite (das aus einem Mb-W-Verbundmaterial oder einem Cu-W-Verbundmaterial gebildete Substrat 4 und das aus Aluminiumoxid gebildete Packelement 5) von der des Kühlkörpers 2 (hergestellt aus Aluminium), an der Verbindung kommt es während der Glühzyklenprobe (gewöhnlich im Bereich von -50ºC bis 150ºC, 300 Zyklen) nach dem Verbinden zum Abblättern, was bei der tatsächlichen Anwendung zu einem Problem wird.
Um das obengenannte Problem zu lösen, verwendeten die Erfinder der vorliegenden Erfindung Mo-Cu-Verbundwerkstoffe oder W-Cu-Verbundwerkstoffe, die separat für Substrate zum Aufnehmen von Halbleitervorrichtungen (japanische Patentveröffentlichung Nr. 2-31863) entwickelt wurden, für die Kühlkörper. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Mo-Cu-Verbundwerkstoffs oder des W-Cu-Verbundwerkstoffs liegt nahe dem von Aluminium oder Kovar. Deshalb tritt das obengenannte Problem des Abblätterns während der Glühzyklenprobe nicht auf, wenn diese Werkstoffe für den Kühlkörper verwendet werden. Die Mo-Cu- Verbundmaterialien und die W-Cu-Verbundmaterialien weisen als Kühlkörper ausgezeichnete thermische Kennwerte auf. Insbesondere die Mo-Cu-Verbundmaterialien, die eine verhältnismäßig geringe Schwerkraft (spezifische Schwerkraft: 9 bis 10 g/cc) haben, werden in der Praxis für leichte Kühlkörper verwendet.
Sogar die Mo-Cu-Verbundwerkstoff sind jedoch schwerer als Aluminium, das für den Kühlkörpern verwendet worden war (spezifische Schwerkraft: 2,7 g/cc), so daß sie zu schwer sind, wenn sie für einen großen Kühlkörper, wie er kürzlich für große Halbleiterchips erforderlich wurden, verwendet werden.
Um dieses Problem zu lösen verwendet man das Mo-Cu-Verbundmaterial an dem Verbindungsbereich 9, der den aus Aluminium hergestellten Kühlkörper und das aus Aluminiumoxid hergestellte Packelement 5 verbindet, und der Verbindungsbereich 9 und der Kühlkörper 2 werden mit einem Lötmittel 22 (Lötzinn, Goid-Zinn-Legierung, etc.) verbunden, wie in Fig. 14 gezeigt ist.
Bezugnehmend auf Fig. 14 muß jedoch gesagt werden, daß das Aluminium, das das Material für den Kühlkörper 2 ist, leicht oxidiert und dar die Oberfläche gewöhnlich mit einem dünnen Oxidfilm überzogen ist. Deshalb ist das Benetzen des Lötmittels nicht gut und eine Beschichtung (gewöhnlich Vernickelung nach einer Zinkat-Behandlung) ist auf der Oberfläche des Aluminiums erfoderlich, um das Löten zu ermöglichen. Weiterhin macht Molybdän, das auf der Verbindungsfläche des den Verbindungsbereich 9 bildenden Mo-Cu-Verbundwerkstoffs vorhanden ist, das Benetzen des Lötmittels schlechter. Demgemäß muß die Verbindungsfläche des Mo-Cu-Verbundmaterials durch Vernickeln oder dgl. beschichten worden sein, um das Löten zu ermöglichen. Zusätzlich entsteht, wenn beide durch Löten verbunden werden, eine vorgeschriebene Anzahl von Hohlräumen in der Lötschicht, was eine gute Wärmeleitung verhindert. Die Wärmeleitfähigkeit des Lötmittels selbst ist niedrig und deshalb verhindert auch das Lötmittel eine gute Wärmeleitung.
Bezugnehmend auf Fig. 14 muß der gekoppelte Körper der Rippe 2 und des Verbindungsbereichs 9, der durch das obengenannte Vertahren hergestellt wurde, nach dem Löten mit Nickel, Nickel + Gold oder dgl. beschichtet werden, um eine gute Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Das Beschichten des sich ergebenden Gegenstands, der verschiedene und vielartige Materialien umfaßt, war schwierig, da unterschiedliche Werkstoffe mit Chemikalien unterschiedlich reagieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper bereitzustellen, bei dem die Rippe und der Verbindungsbereich fest verbunden sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen leichten Kühlkörper zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper mit überragender Wärmeleitfähigkeit beeitzustellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper zu schaffen, der leicht ist und eine überragende Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper zu schaffen, auf dem leicht eine Beschichtung zum Schaffen von Korrosionsbeständigkeit aufgebracht werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper zu schaffen, der fest mit dem Packelement verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper, der auf einer Halbleiteraufnahmevorrichtung zum Aufnehmen einer Halbleitereinrichtung angebracht ist, um die durch die Halbleitereinrichtung erzeugte Wärme nach außen abzuleiten. Der Kühlkörper umfaßt eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Rippe und einen Verbindungsbereich, der aus einem aus der Gruppe mit Mo-Cu, Cu-W, und Al-Si ausgesuchten Verbundmaterial hergestellt ist, zum Verbinden der Rippe mit der Halbleiteraufnahmevorrichtung. Die Rippe und der Verbindungsbereich sind an der Grenzfläche reibungsgeschweißt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das spitze Ende des Verbindungsbereichs eine konische Form, die an der Grenzfläche zwischen der Rippe und dem Verbindungsbereich in die Rippe hinein verläuft.
Der erfindungsgemäße Kühlkörper ist leicht, da eine Aluminiumlegierung für die Rippe verwendet wurde. Der aus einem aus der Gruppe mit Mo-Cu, Cu-W, und Al-Si ausgesuchten Verbundmaterial hergestellte Verbindungsbereich und die Rippe sind an der Grenzfläche reibungsgeschweißt, so daß durch Metallbindung fest verbunden sind.
Mo-Cu, Cu-W und Al-Si haben alle eine überragende Wärmeleitfähigkeit und obwohl ein derartiges Teil wie das Lötmittel, das die Wärmeleitfähigkeit an der Grenzfläche zwischen der Rippe und dem Verbindungsbereich verschlechtert, vorhanden ist, hat die sich ergebende Rippe eine überragende Wärmeleitfähigkeit.
Der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten des aus einem aus der Gruppe mit Mo-Cu, Cu-W, und Al-Si ausgesuchten Verbundmaterial hergestellten Verbindungsbereichs und dem des Materials, aus dem das Packelement gebildet ist, ist gering, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Packelement und dem Verbindungsbereich kein Wärmeverzug auftritt. Der Kühlkörper und das Packelement sind nämlich fest verbunden und deren Lebensdauer kann verlängert werden.
Die vorgenannte und die weiteren Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreiben der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleiteraufnahmevorrichtung, die den erfindungsgemäßen Kühlkörper aufweist;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht (a) und eine Querschnittsansicht (b) der Halbleiteraufnahmevorrichtung, die einen Kühlkörper gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die Schritte bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers zeigt;
Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung, die Schritte bei der Herstellung des Kühlkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist eine Querschnittsdarstellung, die Schritte bei der Herstellung des Kühlkörpers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer Verbindungsstruktur, wenn der Winkel eines Spitzenendes des Mo-Cu-Verbundmaterials geändert wird, und zeigt den Einfluß der Form der Verbindungsfläche auf die Festigkeit der Verbindung;
Fig. 8 zeigt eine Struktur einer Probe zum Messen der Verbindungsfestigkeit des erfindungsgemäßen Kühlkörpers;
Fig. 9 ist eine perspektivische Darstellung einer Probe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Kühlkörpers;
Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung einer Probe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit eines herkömmlichen Kühlkörpers, bei dem ein Mo-Cu- Verbundmaterial und Aluminium durch Löten verbunden wurden;
Fig. 11 ist eine perspektivische Darstellung einer herkömmlichen Halbleiteraufnahmevorrichtung;
Fig. 12 ist eine Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen Halbleiteraufnahmevorrichtung, die einen Kühlkörper aufweist;
Fig. 13 ist eine Querschnittsdarstellung einer anderen herkömmlichen Halbleiteraufnahmevorrichtung, die einen Kühlkörper aufweist; und
Fig. 14 ist eine Querschnittsdarstellung einer weiteren herkömmlichen Halbleiteraufnahmevorrichtung, die einen Kühlkörper aufweist.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kühlkörper 13 ist an einem Substrat zum Aufnehmen einer Halbleitereinrichtung befestigt, um durch die Halbleitereinrichtung erzeugte Wärme nach außen abzuleiten. Der Kühlkörper 13 umfaßt eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Rippe 2 und einen Verbindungsbereich 9. Der Verbindungsbereich 9 ist aus einem aus Mo-Cu, Cu-W oder Al-Si gebildeten Verbundmaterial gebildet. Die Rippe 2 und der Verbindungsbe reich 9 sind reibungsgeschweißt und an der Grenzfläche in festem Kontakt. Die Rippe 2 und der Verbindungsbereich 9 sind reibungsgeschweißt und an der Grenzfläche in festem Kontakt metallgebunden.
Fig. 2 ist einer Querschnittsdarstellung einer Halbleiteraufnahmevorrichtung, an der ein erfindungsgemäßer Kühlkörper angebracht ist.
Die Halbleiteraufnahmevorrichtung 1 umfaßt ein Substrat 4 zum Aufnehmen einer Halbleitereinrichtung 3 und ein Packelement 5, das Raum zum Aufnehmen der Halbleitereinrichtung 3 aufweist und zum Stützen des Substrats 4 von unten. Das Packelement 5 hat einen darunter befestigten Deckel. Ein Bleidraht 21 ist elektrisch mit der Halbleitereinrichtung 3 verbunden.
Der Kühlkörper 13 mit dem Verbindungsbereich 9 und die durch Metallbindung damit verbundene Rippe 2 sind an der Halbleiteraufnahmevorrichtung dadurch befestigt, daß der Verbindungsbereich 9 durch ein wärmeleitendes Klebemittel (Epoxidharz + Ag) an dem Substrat 4 befestigt wird.
Das Substrat 4 wird aus einem Mb-W-Verbundwerkstoff oder einem Cu-W-Verbundwerkstoff. Das Packelement 5 ist aus Aluminiumoxid hergestellt. Das Anschlußstück 6 ist aus Kovar (29 % Ni - 17 % Co - Fe) hergestellt.
Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit einer für den Verbindungsbereich 9 verwendeten Cu-W-Legierung. In der Tabelle sind auch Wärmeausdehnungskoeffizienten von Al&sub2;O&sub3;, Si, GaAs gezeigt. Tabelle 1 Nr. Legierungszusammensetzung Wärmeausdehnungskoeffizient Wäremleitfähigkeit
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, wird der Unterschied bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Cu-W-Legierung und Al&sub2;O&sub3; sehr gering gemacht, wenn 2 bis 3 Gew.-% Kupfer in der Cu-W-Legierung enthalten sind.
Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit einer für den Verbindungsbereich 9 verwendeten Mo-Cu-Legierung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Tabelle 2 Nr. Legierungszusammensetzung Wärmeausdehnungskoeffizient Wärmeleitfähigkeit
Bezugnehmend auf die Tagellen haben die Mo-Cu- und Cu-W-Legierungen eine überragende Wärmeleitfähigkeit. Zusätzlich hat der vorgesehene Kühlkörper 13 eine überragende Wärmeleitfähigkeit, da es kein Element, wie etwa das die Wärmeleitfähigkeit vermindernde Lötmittel, an der Grenzfläche zwischen der Rippe 2 und der Verbindungsbereich 9 gibt.
Da der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des aus einer Mo-Cu- oder C- oder Cu-W-Legierung hergestellten Verbindungsbereichs 7 und dem des Materials (Cu-W, Al&sub2;O&sub3; oder dgl.), das das Packelement 5 bildet, gering ist, kommt es an der Grenzfläche zwischen dem Packelement 5 und dem Verbindungsbereich 9 nicht zu Wärmeverwerfungen. Der Kühlkörper 13 ist nämlich fest mit dem Packelement 5 verbunden und die Lebensdauer der Halbleiteraufnahmevorrichtung kann verlängert werden.
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung einer Halbleiteraufnahmevorrichtung, an der der erfindungsgemäße Kühlkörper angebracht ist.
Fig. 3 (a) ist eine perspektivische Darstellung der den Kühlkörper aufweisenden Halbleiteraufnahmevorrichtung und Fig. 3 (b) ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie B-B von Fig. 3 (a).
Bezugnehmend auf diese Zeichnungen umfaßt die Halbleiteraufnahmevorrichtung 1 ein Packelement 5 (gebildet aus Aluminiumoxid) zum Aufnehmen der Halbleitereinrichtung 3. Ein Anschlußstück 6 (hergestellt aus Kovar) ist unter dem Packelement 5 vorgesehen. Ein Bleidraht 21 ist elektrisch mit der Halbleitereinrichtung 3 verbunden. Der Kühlkörper 13 weist eine Rippe 2 (hergestellt aus einer Aluminiumlegierung), die sich nach oben erstreckende Flügel 2a hat, und einen Verbindungsbereich 9 auf. Der Verbindungsbereich 9 ist aus einer Mo-Cu-, Cu-W- oder Al-Si-Legierung gebildet. Der Verbindungsbereich 9 und die Rippe 2 sind reibungsgeschweißt und in festem Kontakt mit der Grenzfläche. Sie sind metallgebunden. Der Kühlkörper 13, der den Verbindungsbereich 9 und die metallgebundene Rippe 2 aufweist, ist mit dem Packelement 5 dadurch verbunden, daß der Verbindungsbereich 9 durch Verwenden eines wärmeleitfähigen Klebemittels (Epoxidharz + Ag) an dem Packelement 5 angebracht wird. Da der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbindungsbereichs 9 und des Packelements 5 gering ist, wird an der Grenzfläche zwischen dem Packelement 5 und dem Verbindungsbereich 9 keine thermische Zerstörung bewirkt.
Auch bei dieser Ausführungsform sind der Kühlkörper 13 und das Packelement 5 fest verbunden und ihre Lebensdauer kann verlängert werden.
Fig. 4 umfaßt schematische Darstellungen der Herstellungsschritte für den in Fig. 1 gezeigten Kühlkörper. Bezugnehmend auf Fig. 4 (a) bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Mo-Cu-Verbundmaterial, das den Verbindungsbereich 9 des in Fig. 13 gezeigten Kühlkörpers 13 bilden soll, und das Bezugszeichen 11 bezeichnet Alumium, das die Rippe 2 werden soll. Die Verbindung zwischen dem Mo-Cu-Verbundwerkstoff 10 und dem Aluminium 11 wird durch ein Reibungsschweißverfahren ausgeführt, bei dem die Verbindungsflächen der beiden miteinander in Berührung gebracht werden und unter Anwendung von Druck in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden.
Beim Reibungsschweißen des Aluminiums 11 und des Mo-Cu-Verbundwerkstoffs müssen geeignete Bedinungen zum Verbinden eingestellt werden, um einen stabile Verbindungsfestigkeit zu erreichen, da die Kenndaten beider Materialien (Starrheit, Zähigkeit etc.) sehr unterschiedlich sind.
Wenn die Verbindungsflächen des Aluminiums 11 und des Mo-Cu- Verbundwerkstoffs 10 miteinander in Berührung gebracht und unter Druckausübung in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, dann wird ein Aluminiumoxidfilm 12 an der Verbindungsfläche nach außen abgegeben, wie in Fig. 4 (b) gezeigt ist. Dies wird später unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch genauer beschrieben werden.
Bezugnehmend auf Fig. 4 (c) werden ein eine Rippe 2 aufweisende Kühlkörper 13 und ein damit verbundener Verbindungsbereich 9 durch Schneiden des Mo-Cu-Verbundmaterials 10 und des Aluminiums 11 bereitgestellt.
Durch dieses Verfahren kann eine perfekte Verbindung ohne Hohlraum an der bindungsgrenzfläche geschaffen werden. Außerdem entsteht an der Grenzfläche beim Verbinden keine feste Lösungsschicht aus Kupfer und Aluminium mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Folglich kann ein Kühlkörper mit überragender Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt werden. Zusätzlich wird ein Beschichten nach dem Verbinden des so hergestellten Kühlkörpers 13 erleichtert, da weder unterschiedliche und viele Metalle nicht vorhanden sind.
Um eine ausreichende Verbindungsfestigkeit zu schaffen, muß der auf der Verbindungsfläche aus Aluminium vorhandene Oxidfilm entfernt werden, und deshalb müssen die Form der Verbindungsfläche, die Anzahl der Umdrehungen und der Druck unter Berücksichtigung dieses Punktes eingestellt werden.
Die Ergebnisse des Reibungsschweißens von Aluminium und einem Mo-Cu-Verbundmaterial unter unterschiedlichen Bedingungen werden im folgenden beschrieben.

Ausführungsform 1

Fig. 5 (a) bis (3) zeigen Zustände des Reibungsschweißens von Aluminium und einem Mo-Cu-Verbundwerkstoff, wenn die Verbindungsflächen flach sind, und zeigen die Verformung auf Zeitbasis. In diesen Zeichnungen bezeichnet die Zahl 10 das Mo- Cu-Verbundmaterial, 11 bedeutet Aluminium und 12 ist ein auf der Oberfläche des Aluminiums 11 gebildeter Aluminiumoxldfilm. Bezugnehmend auf diese Zeichnungen kommt es, wenn die Verbindungsflächen flach sind, während des Schweißens an der Seite des Aluminiums 11 zu einer Verformung, da die Festigkeit des Mo-Cu-Verbundmaterials 10 höher als die des Aluminiums 11 ist. Es müssen Bedinungen für das Reibungsschweißen gewählt werden, die ausreichen, um den Aluminiumoxidfilm 12 von der Verbindungsfläche 30 zu entfernen. Die Verbindungsfestigkeit (Kg/mm²) in verschiedenen Stadien wurden durch eine Probe erhalten, die die Form von Fig. 8 (a) hat. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Reibungszeit (sec) Verformung Verbindungsfestigkeit (kg/mm²) Fig. (1) Material: Aluminium (Typ 6061) 30 x 30 mm Mo-Cu-Verbundwerkstoff (85 % Mo, 15 % Cu) 30 x 30 mm (2) Bedingungen für das Reibungsscheißen: Anzahl der Rotationen: 1500 Upm, Druck 5 kg/mm².

Ausführungsform 2

Die Fig. 6 (a) bis (e) zeigen das Reibungsschweißen des Aluminiums 11 und des Mo-Cu-Verbundmaterials, wenn der Winkel α der Kante des Mo-Cu-Verbundmaterials 120º beträgt, und zeigt eine Verformung auf Zeitbasis. Die Verbindungsfestigkeit (kg/mm²) in verschiedenen Stadien wurden durch eine Probe erhalten, die die Form von Fig. 8 (b) hat. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4 Reibungszeit (sec) Verformung Verbindungsfestigkeit (kg/mm²) Fig. (1) Material: Aluminium (Typ 6061) 30 x 30 mm Mo-Cu-Verbundwerkstoff (86% Mo, 15 % Cu) 30 x 30 mm(2) Bedingungen für das Reibungsscheißen: Anzahl der Rotationen: 1500 Upm, Druck 5 kg/mm².
Nach dieser Ausführungsform beginnt, da die Kante des Mo-Cu- Verbundwerkstoffs 10 eine konvex-konische Form hat, das Reibungsschweißen an einer kleinen Fläche im zentralen Bereich der Kantenfläche des Aluminiums 11, so daß das Enfernen des Aluminiumoxidfilms 12 von der Verbindungsfläche erleichtert wird. Folglich kann die Bildung des Aluminiums 11 während des Reibungsschweißens unterdrückt werden, und die Verbindungsfestigkeit kann verbessert werden.

Ausführungsform 3

Fig. 7 (a) bis (d) sind Querschnittsdarstellungen der Verbindungsstruktur, die dann vorhanden ist, wenn der Winkel der Kante des Mo-Cu-Verbundmaterials 180º (flach), 160º, 120º und 80º beträgt, um den Einfluß des Form der Verbindungsfläche auf die Verbindungsfestigkeit zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5 Kantenwinkel Verformung Verbindung Festigkeit Abweichung (1) Material: Aluminium (Typ 6061) 30 x 30 mm Mo-Cu-Verbundwerkstoff (85% Mo, 15 % Cu) 30 x 30 mm (2) Bedingungen für das Reibungsscheißen: Anzahl der Rotationen: 1500 Upm, Druck 5 kg/mm²(3) Reibungsdauer: 6 Sek. (4) Anzahl der Proben: jeweils 5 (5) Verbindungsfestigkeit (kg/mm²): Mittelwert von 5 Proben (6) Abweichung: Unterschied zwischen Minimal- und Maximalwerten.
Wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, kann die Verbindungsfestigkeit durch Vorsehen eines Winkels an der Kante des Mo-Cu- Verbundmaterials verbessert werden. Die Verbindungsfestigkeit (kg/mm²) von 10 ist für den tatsächlichen Gebrauch ausreichend.

Ausführungsform 4

Die Wärmeleitfähigkeit des verbundenen Körpers, der durch Reibungsschweißen des Mo-Cu-Verbundmaterials 10 und des Aluminiums 11 hergestellt wurde, wie in Fig. 9 gezeigt ist, und die Wärmeleitfähigkeit des verbundenen Körpers, der durch Verbinden des Mo-Cu-Verbundmaterials 10 und des Aluminiums 11 durch Lötmittel 22 hergestellt wurde, wie in Fig. 10 gezeigt, wurden verglichen. Jeweils 5 Proben wurden hergestellt und die Wärmeleitfähigkeit wurde gemessen. Das Messen der Wärmeleitfähigkeit wurde durch das Laserdurchschlagsverfahren, gemessen von der Seite des Mo-Cu-Verbundmaterials 10, durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6 Fig. (1) Einheit: cm²/sec (2) Material: Aluminium (Typ 6061), Mo-Cu-Verbundmaterial (85 % Mo, 15 % Cu)
Wie aus Tabelle 6 ersichtlich ist, ist die Wärmeleitfähigkeit des durch Reibungsschweißen des Mo-Cu-Verbundmaterials 10 und des Aluminiums 11 hergestellten Körpers erheblich höher als die des durch Lötmittel 22 hergestellten Körpers.
Obwohl der Verbindungsbereich bei den anderen Ausführungsbeispielen aus einer Mo-Cu-Legierung oder einer Cu-W-Legierung hergestellt wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern es kann auch eine Al-Si-Legierung verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
Obwohl bei den obigen Ausführungsformen Aluminium für die Rippe verwendet wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und eine mit anderen Elementen angereicherte Al-Legierung (beispielsweise Al-Si-Legierung) kann verwendet werden. Zusätzlich kann ein Element der Eisen-Familie in einer Menge von nicht mehr als 20 Gew.-% beigegeben werden, um einen festeren Rahmen von W oder Mo zu bilden. Durch Zugeben eines derartigen Elements wird auch der Sintergrad von W oder Mo verbessert.
Wie oben beschrieben wurde, ist der erfindungsgemäße Kühlkörper leicht, da für die Rippe eine Aluminiumlegierung verwendet wurde. Da der Verbindungsbereich, der aus einem aus der aus Mo-Cu, Cu-W und Al-Si bestehenden Gruppe ausgewählten Verbundmaterial hergestellt wurde, und die Rippe reibungsgeschweißt und an der Grenzfläche in festem Kontakt sind, sind sie durch Metallbindung fest verbunden.
Zudem haben Mo-Cu, Cu-W und Al-Si eine überragende Wärmeleitfähigkeit und kein Element, das wie Lötmittel die an der Grenzfläche zwischen der Rippe und dem Verbindungsbereich bestehende Wärmeleitfähigkeit verringert, ist vorhanden. Deshalb hat der bereitgestellte Kühlkörper eine überragende Wärmeleitfähigkeit.
Da der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbindungsbereichs, der aus einem aus der aus Mo-Cu, Cu-W und Al-Si bestehenden Gruppe ausgewählten Verbundmaterial hergestellt wurde, und dem des das Packelement bildenden Materials gering ist, kommt es an Grenzfläche zwischen dem Packelement und dem Verbindungsberich nicht zu thermischen Verwerfungen. Deshalb ist der Kühlkörper fest mit dem Packelement verbunden und verlängert so deren Lebensdauer.

Claims

1. Kühlkörper, der an einer Halbleiteraufnahmevorrichtung zum Aufnehmen einer Halbleitereinrichtung (3) zum Abgeben von durch die Halbleitereinrichtung erzeugter Wärme an die Umgebung angebracht ist, umfassend:

- eine Rippe (2), die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, und

- einen Verbindungsbereich (9), der aus einem aus der aus Mo-Cu, Cu-W und Al-Si bestehenden Gruppe ausgewählten Verbundmaterial gebidet ist, um die Rippe mit der Halbleiteraufnahmevorrichtung zu veeeerbinden;

- wobei die Rippe und der Verbindungsbereich an der Grenzfläche dazwischen reibungsgeschweißt sind.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei der Cu-Gehalt in dem Mo-Cu-Verbundmaterial 2 bis 30 Gew.-% beträgt.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei die signifikante Schwerkraft des Mo-Cu-Verbundmaterials 9 bis 10 g/cc beträgt.

4. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei das Mo-Cu Verbundmaterial oder das Cu-W-Verbundmaterial ein Element der Eisen-Familie umfaßt.

5. Kühlkörper nach Anspruch 4, wobei der Gehalt des Elements der Eisen-Familie nicht höher als 20 Gew.-% ist.

6. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an Kupfer in dem Cu-W-Verbundmaterial 2 bis 30 Gew.-% beträgt.

7. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei eine Grenzfläche zwischen der Rippe und dem Verbindungsbereich flach ist.

8. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei eine Kante des Verbindungsbereichs an der Grenzfläche zwischen der Rippe und dem Verbindungsbereich eine in die Rippe hineinverlaufende konische Form hat.

9. Kühlkörper nach Anspruch 8, wobei der Winkel der Kante der konischen Form nicht mehr als 160º beträgt.

10. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei die Al-Legierung reines Al umfaßt.

11. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei die Al-Legierung eine Al-Si-Legierung umfaßt.