композитный материал, способ его получения, излучающая тепло панель для полупроводникового прибора, полупроводниковый прибор (варианты), диэлектрическая панель и электростатическое поглощающее устройство

Формула изобретения

1. Композитный материал с высокой теплопроводностью, содержащий медь и от 10 до 55% по объему неорганическое соединение - оксид меди, большая часть указанного соединения представляет собой гранулированные зерна размером не более чем 50 мкм и дендриты.

2. Композитный материал по п. 1, в котором каждый из дендритов имеет стержнеподобный ствол и ветви гранулированной формы, сформированные около ствола.

3. Композитный материал по п.1 или 2, в котором большая часть соединения представляет собой гранулированные зерна размером от 5 мкм до не более чем 50 мкм и дендриты, причем от 1 до 10% всего указанного соединения представляют собой мелкие гранулированные зерна с диаметром не более 1 мкм.

4. Композитный материал по любому из пп.1-3, который содержит медь и от 10 до 55% по объему оксида меди, причем указанный материал имеет коэффициент линейного расширения (5 - 17)10^-6/^oС в температурном диапазоне от комнатной температуры до 300^oС, теплопроводность при комнатной температуре от 100 до 380 Вт/(мК).

5. Композитный материал по п.4, в котором кристаллы оксида меди имеют форму стержней, ориентированных в одном направлении, причем указанный материал имеет коэффициент линейного расширения (5 - 17)10^-6/^oС в температурном диапазоне от комнатной температуры до 300^oС, теплопроводность при комнатной температуре от 100 до 380 Вт/(мК), и другое значение теплопроводности в ориентированном направлении выше, чем в направлении, расположенном под прямым углом к ориентированному направлению, и разница между этими двумя значениями составляет от 5 до 100 Вт/(мК).

6. Композитный материал по п.1, в котором неорганическое соединение имеет форму стержней, ориентированных в одном направлении.

7. Композитный материал по п.4 или 5, который является способным пластически обрабатываться.

8. Способ получения композитного материала с высокой теплопроводностью, содержащий стадии обработки меди и оксида меди, который формирует эвтектическую структуру с медью, и плавления и отверждения меди и оксида меди.

9. Способ получения композитного материала по п.8, который содержит стадии плавления меди и оксида меди сырого материала в атмосфере с парциальным давлением кислорода от 10^-2 до 10³ Па, за которым следует литье, посредством которого получают литой материал, и холодная или горячая пластическая обработка указанного литого материала.

10. Излучающая тепло панель для полупроводникового прибора, изготовленная из указанного композитного материала по любому из пп.1-8.

11. Панель по п.10, которая имеет на своей поверхности слой никелевого гальванического покрытия.

12. Полупроводниковый прибор, содержащий излучающую тепло панель, а также изолирующую подложку, укрепленную на излучающей тепло панели, и полупроводниковое устройство, укрепленное на указанной изолирующей подложке, причем указанная излучающая тепло панель является излучающей тепло панелью по п.10 или 11.

13. Полупроводниковый прибор, содержащий излучающую тепло панель, полупроводниковое устройство, смонтированное на излучающей тепло панели, раму с внешними выводами, прикрепленную к излучающей тепло панели, и металлический провод для электрического подсоединения рамки с внешними выводами к полупроводниковому устройству, причем полупроводниковое устройство является загерметизированным с помощью полимерных смол, а указанная излучающая тепло панель является излучающей тепло панелью по п.10 или 11.

14. Полупроводниковый прибор, содержащий излучающую тепло панель, полупроводниковое устройство, смонтированное на лицевой поверхности излучающей тепло панели, рамку с внешними выводами, прикрепленную к излучающей тепло панели, и металлический провод для подсоединения рамки с внешними выводами к полупроводниковому устройству, причем полупроводниковое устройство является загерметизированным с помощью полимерных смол, причем указанная излучающая тепло панель снабжена открытой поверхностью на стороне, противоположной поверхности установки полупроводникового устройства, причем излучающая тепло панель является излучающей тепло панелью по п.10 или 11.

15. Полупроводниковый прибор, содержащий излучающую тепло панель, полупроводниковое устройство, смонтированное на излучающей тепло панели, штыревой контакт, подобранный так, чтобы подсоединяться к внешней проводке, керамическую многослойную подложку, расположенную посередине, с открытым пространством для размещения полупроводникового устройства, металлический провод для электрического подсоединения полупроводникового устройства к контактам подложки, причем излучающая тепло панель и подложка присоединяются друг к другу таким образом, что полупроводниковое устройство расположено в указанном открытом пространстве, и крышка прикрепляется к подложке таким образом, что полупроводниковое устройство изолируется от окружающей атмосферы, а излучающая тепло панель является излучающей тепло панелью по п.10 или 11.

16. Полупроводниковый прибор, содержащий излучающую тепло панель, полупроводниковое устройство, смонтированное на излучающей тепло панели, контакт, подобранный так, чтобы подсоединяться к внешней проводке, керамическую многослойную подложку, расположенную посередине, с вогнутой частью для размещения указанного полупроводникового устройства, металлической провод для электрического подсоединения указанного полупроводникового устройства к контактам подложки, причем излучающая тепло панель и подложка присоединяются друг к другу таким образом, что полупроводниковое устройство расположено в вогнутой части подложки, и крышка прикрепляется к подложке таким образом, что полупроводниковое устройство изолируется от окружающей атмосферы, а излучающая тепло панель является излучающей тепло панелью по п.10 или 11.

17. Полупроводниковый прибор, содержащий излучающую тепло панель, полупроводниковое устройство, прикрепленное к излучающей тепло панели с помощью теплопроводящей полимерной смолы, рамку с внешними выводами, прикрепленную к керамической изолирующей подложке, ТАВ для электрического подсоединения полупроводникового устройства к рамке с внешними выводами, причем излучающая тепло панель и изолирующая подложка прикрепляются друг к другу таким образом, что полупроводниковое устройство изолируется от окружающей атмосферы, и гибкий корпус из теплопроводящей полимерной смолы, расположенный между полупроводниковым устройством и изолирующей подложкой, причем излучающая тепло панель является излучающей тепло панелью по п.10 или 11.

18. Полупроводниковый прибор, содержащий первую излучающую тепло панель, полупроводниковое устройство, присоединенное с помощью металла к первой излучающей тепло панели, вторую излучающую тепло панель, к которой прикрепляется заземляющая панель, причем первая излучающая тепло панель монтируется на второй излучающей тепло панели, и ТАВ электрически подсоединяется к контактам полупроводникового устройства, причем полупроводниковое устройство герметизируется с помощью полимерных смол, причем излучающая тепло панель является излучающей тепло панелью по п.10 или 11.

19. Диэлектрическая панель для электростатических поглощающих устройств, причем панель изготавливается из композитного материала по одному из пп.1-8.

20. Электростатическое поглощающее устройство, содержащее электродный слой и диэлектрическую панель, прикрепленную к электродному слою, в котором при приложении напряжения к электродному слою генерируется электростатическая сила притяжения между диэлектрической панелью и веществом, поэтому вещество прикрепляется к поверхности диэлектрической панели, причем диэлектрическая панель является диэлектрической панелью по п.19.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к композитному материалу и, более конкретно, к медному композитному материалу с низким коэффициентом теплового расширения и высокой теплопроводностью, способу его получения и различным вариантам использования, таким, как использование в полупроводниковых приборах, где этот композитный материал применяется.

Технические приемы, относящиеся к преобразованию и управлению электрической мощностью и энергией с помощью электронных устройств и, в частности, устройств силовой электроники, используемые в системах релейного типа и в системах преобразования мощности в качестве применяемых технических приемов для таких устройств силовой электроники, называются силовой электроникой.

Силовые полупроводниковые приборы с различными видами релейных функций используются для преобразования мощности. В качестве таких полупроводниковых приборов используются не только выпрямительные диоды, которые содержат р - n-переходы и которые имеют проводимость только в одном направлении, но также тиристоры, биполярные транзисторы, полевые транзисторы со структурой оксида металла (MOS FET) и др., которые отличаются друг от друга различными комбинациями р - n- переходов. Кроме того, также существуют разработанные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с выключающим управляющим электродом (GTO), которые имеют функцию выключения с помощью сигналов управляющего электрода.

Эти силовые полупроводниковые приборы вызывают генерацию тепла за счет подачи питания, и количество генерированного тепла имеет тенденцию увеличиваться из-за высокой емкости конструкции силовых полупроводниковых устройств и высокого быстродействия конструкции. Для того, чтобы предотвратить ухудшение свойств полупроводникового устройства и сокращение его срока службы, которые вызываются генерацией тепла, необходимо выполнить часть, излучающую тепло, таким образом, чтобы подавлялся рост температуры внутри и вблизи полупроводникового устройства. Так как медь имеет высокую теплопроводность 393 Вт/(мК) и является недорогой по стоимости, этот металл обычно используется для излучающих тепло элементов. Однако, так как излучающий тепло элемент полупроводникового прибора, снабженного силовым полупроводниковым устройством, соединяется с кремнием Si, имеющим коэффициент теплового расширения 4,2 10^-6/^oC, требуется излучающий тепло элемент, имеющий коэффициент теплового расширения, близкий к этой величине. Из-за того, что коэффициент теплового расширения меди больше, чем 17 10^-6/^oC, способность к пайке у меди по отношению к полупроводниковому прибору не является хорошей. Следовательно, материалы с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения кремния Si, такие как Мо и W, используются как излучающий тепло элемент или устанавливаются между полупроводниковым устройством и излучающим тепло элементом.

С другой стороны, интегральные схемы (ИС), сформированные интегрирующими электронными схемами на одном полупроводниковом чипе, подразделяются, в соответствии с их функциями, на схемы памяти, логические, микропроцессорные и т. д. Они называются электронными полупроводниковыми устройствами в противоположность силовым полупроводниковым приборам. Степень интеграции и быстродействие этих полупроводниковых устройств увеличивались год от года, и количество генерированного тепла также соответственно увеличивалось. С другой стороны, электронное полупроводниковое устройство в основном помещается в корпусе для того, чтобы предотвратить повреждения и неисправности путем изоляции от окружающей атмосферы. Большинство таких корпусов являются либо керамическими, либо пластиковыми, причем в керамическом корпусе полупроводниковое устройство неразъемно прикреплено к керамической подложке и герметично заделано, а полупроводниковое устройство герметизировано в пластиковом корпусе с помощью полимерных смол. Для того чтобы удовлетворить требования более высокой надежности и высоких скоростей, также изготавливается многокристальный модуль (МКМ), в котором множество полупроводниковых устройств смонтировано на одной подложке.

В пластиковом корпусе рамка с внешними выводами и контакты полупроводникового устройства соединяются с помощью соединительного провода и герметизируются пластиком. В последние годы, в связи с увеличением количества тепла, генерированного полупроводниковыми устройствами, создаются конструкции корпуса, в котором рамка с внешними выводами имеет свойство рассеяния тепла, и другого корпуса, в котором монтируется излучающая тепло панель для рассеяния тепла. Хотя рамки с внешними выводами на основе меди и излучающие тепло панели большой теплопроводности часто используются для рассеяния тепла, существует такое опасение, что проблемы могут возникать из-за отличия коэффициента теплового расширения от коэффициента теплового расширения кремния Si.

С другой стороны, в керамическом корпусе полупроводниковое устройство монтируется на керамической подложке, на которой напечатаны части монтажа, и полупроводниковое устройство герметизируется металлической или керамической крышкой. Кроме того, композитный материал Сu-Мо или Cu-W или кобальт-никелевый сплав соединяется с керамической подложкой и используется в качестве излучающей тепло панели, и для каждого из этих материалов требуется улучшение работоспособности и низкая стоимость, так же, как и конструкция с меньшим коэффициентом теплового расширения и конструкция с более высокой теплопроводностью.

В МКМ (многокристальном модуле) множество полупроводниковых устройств монтируются в качестве бескорпусных интегральных схем на тонкопленочной проводке, сформированной на кремниевой или металлической или керамической подложке, размещаются в керамическом корпусе и герметизируются с помощью крышки. Когда требуется свойство излучения тепла, излучающая тепло панель и излучающая тепло пластина устанавливаются в корпусе. Медь и алюминий используются в качестве материала для металлических подложек. Хотя медь и алюминий имеют преимущество, заключающееся в высокой теплопроводности, эти металлы имеют большой коэффициент теплового расширения и меньшую совместимость с полупроводниковыми устройствами. По этой причине кремний Si и нитрид алюминия (А1N) используются в качестве подложки высоконадежного многокристального модуля. Кроме того, так как излучающая тепло панель прикрепляется к керамическому корпусу, требуется материал, имеющий хорошую совместимость с материалом корпуса в единицах коэффициента теплового расширения и имеющий высокую теплопроводность.

Как упомянуто выше, все полупроводниковые приборы, каждый из которых снабжен полупроводниковым устройством, генерируют тепло в ходе работы, и функция полупроводникового устройства может быть ухудшена, если аккумулируется тепло. По этой причине требуется излучающая тепло панель с высокой теплопроводностью для рассеяния тепла наружу. Так как излучающая тепло панель прикрепляется непосредственно к полупроводниковому устройству или через изолирующий слой, требуется ее совместимость с полупроводниковым устройством не только по теплопроводности, но также по коэффициенту теплового расширения.

В настоящее время для полупроводниковых устройств в основном используются такие материалы, как Si (кремний) и GaAs (арсенид галлия). Коэффициенты теплового расширения этих двух материалов составляют от 2,6 10^-6/^oC до 3,6 10^-6/^oC и от 5,7 10^-6/^oC до 6,9 10^-6/^oC, соответственно. В качестве материалов для излучающих тепло панелей, имеющих коэффициент теплового расширения, близкий к этим величинам, известны такие материалы, как A1N, SiC, Мо, W, Cu-W и т.п. Однако, так как каждый из них представляет собой цельный материал, сложно регулировать средний уровень коэффициентов теплопередачи и теплопроводности и, в то же время, существует проблема, состоящая в том, что они имеют низкую обрабатываемость и высокую стоимость.

Недавно Al-SiC был предложен в качестве материала для излучающих тепло панелей. Это композитный материал из А1 и SiC, и его коэффициенты теплопередачи и теплопроводности могут регулироваться в широком диапазоне за счет изменения пропорций двух компонент. Однако этот материал имеет недостаток, состоящий в том, что он обладает плохой обрабатываемостью и высокой стоимостью. Спеченный сплав Сu-Мо предлагается в JP-A-8-78578, спеченный сплав Cu-W-Ni предлагается в JP-A-9-181220, спеченный сплав Cu-SiC предлагается в JP-A-9-209058, и Al-SiC предлагается в JP-A-9-15773. В этих общеизвестных композитных материалах, полученных с помощью процессов порошковой металлургии, коэффициенты теплового расширения и теплопроводности могут регулироваться в широком диапазоне за счет изменения отношения двух компонент. Однако их прочность и обрабатываемость с точки зрения пластичности являются низкими, и производство пластин затруднительно. Кроме того, существуют проблемы высокой стоимости, относящиеся к производству порошка, увеличения стадий производственного процесса и т.п.

Целью изобретения является создание композитного материала с высокой обрабатываемостью с точки зрения пластичности, способа производства композитного материала, полупроводникового прибора, в котором используется композитный материал, излучающей тепло панели полупроводникового прибора, электростатического поглощающего устройства и диэлектрической панели электростатического поглощающего устройства.

В результате проведения различных исследований авторы изобретения обнаружили, что перечисленные выше проблемы могут быть решены с помощью композитного материала, изготовление которого состоит из стадий плавления меди, имеющей высокую теплопроводность, и Сu₂O с более низким коэффициентом теплового расширения, чем Сu, и диспергирования каждого из этих материалов.

В соответствии с первым аспектом изобретения, создается композитный материал, содержащий металл и неорганическое соединение, предпочтительно имеющее меньший коэффициент теплового расширения, чем металл, причем большая часть соединения представляет собой гранулированные зерна размером предпочтительно не более чем 50 мкм и дендриты.

В соответствии со вторым аспектом изобретения, соединение содержит дендриты, каждый из которых содержит стержнеподобный ствол и ветви гранулированной формы.

В соответствии с третьим аспектом изобретения, создается композитный материал, содержащий металл и неорганическое соединение, большая часть соединения представляет собой гранулированные зерна размером от 5 до 50 мкм и дендриты, и от 1 до 10% всего соединения представляет собой мелкие зерна размером не более 1 мкм.

В соответствии с четвертым аспектом изобретения, создается композитный материал, содержащий металл и неорганическое соединение, причем коэффициент теплового расширения или теплопроводность является большей в направлении отвердевания, чем в направлении, вертикальном по отношению к направлению отвердевания.

Более предпочтительно, композитный материал изобретения может быть материалом, содержащим медь или оксид меди.

В соответствии с пятым аспектом изобретения, создается композитный материал, содержащий металл и неорганическое соединение, имеющее форму стержня диаметром от 5 до 30 мкм, и предпочтительно не менее чем 90% всего неорганического соединения в терминах процентов площади сечения находится в форме стержня с диаметром от 5 до 30 мкм.

Композитный материал изобретения может содержать медь и оксид меди и может подвергаться пластической обработке.

В соответствии с шестым аспектом изобретения, создается композитный материал, содержащий медь, оксид меди и случайные примеси, причем содержание оксида меди составляет от 10 до 55 об.%, причем оксид меди изготовлен таким образом, что его кристаллы имеют форму дендритов, коэффициент линейного расширения в температурном диапазоне от комнатной температуры до 300^oС составляет от 5 10^-6/^oC до 17 10^-6/^oC, и его теплопроводность при комнатной температуре составляет от 100 до 380 Вт/(мК). Этот композитный материал обладает анизотропией.

В соответствии с седьмым аспектом изобретения, создается композитный материал, содержащий медь, оксид меди, предпочтительно оксид меди (I) (Сu₂О), и случайные примеси, причем содержание оксида меди предпочтительно составляет от 10 до 55 об.%, причем кристаллы оксида меди имеют форму стержней, каждый из которых ориентирован в одном направлении, коэффициент линейного расширения оксида меди в диапазоне температур от комнатной температуры до 300^oС составляет от 5 10^-6/^oC до 17 10^-6/^oC, и теплопроводность его при комнатной температуре составляет от 100 до 380 Вт/(мК). В этом композитном материале теплопроводность в ориентированном направлении выше, чем в направлении, расположенном под прямыми углами к ориентированному направлению, и разница между этими двумя направлениями предпочтительно составляет от 5 до 100 Вт/(мК).

В соответствии с восьмым аспектом изобретения, предложен способ изготовления, в котором металл и неорганическое соединение, формирующее эвтектическую структуру с этим металлом, расплавляют и отверждают и, в частности, способ изготовления композитного материала, содержащего медь и оксид меди. Этот способ изготовления предпочтительно содержит стадию получения сырого материала из меди или меди и оксида меди, плавления сырого материала в атмосфере, имеющей парциальное давление кислорода от 10^-2 Па до 10³ Па, за которым следует литье, осуществление тепловой обработки материала при температуре от 800^oС до 1050^oС, и предпочтительно осуществление холодной или горячей его пластической обработки.

В соответствии с девятым аспектом изобретения, создается излучающая тепло панель для полупроводникового прибора, эта панель изготавливается из упомянутого выше композитного материала. На поверхности излучающей тепло панели полупроводникового прибора может находиться слой никелевого гальванического покрытия.

В соответствии с десятым аспектом изобретения, создается полупроводниковый прибор, содержащий изолирующую подложку, укрепленную на излучающей тепло панели, и полупроводниковое устройство, укрепленное на изолирующей подложке, причем указанная излучающая тепло панель является такой, какая упоминается в девятом аспекте изобретения.

В соответствии с одиннадцатым аспектом изобретения, создается полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковое устройство, смонтированное на излучающей тепло панели, рамку с внешними выводами, прикрепленную к излучающей тепло панели и металлический провод для электрического подсоединения рамки с внешними выводами к полупроводниковому устройству, причем полупроводниковое устройство является загерметизированным с помощью полимерных смол, и излучающая тепло панель является такой, какая упоминается в девятом аспекте изобретения.

В соответствии с двенадцатым аспектом изобретения, создается полупроводниковый прибор, который содержит полупроводниковое устройство, смонтированное на излучающей тепло панели, рамку с внешними выводами, прикрепленную к излучающей тепло панели, и металлический провод для подсоединения рамки с внешними выводами к полупроводниковому устройству, причем полупроводниковое устройство является загерметизированным с помощью полимерных смол, по крайней мере, лицевая поверхность излучающей тепло панели, которая находится напротив соединительной лицевой поверхности полупроводникового устройства, открыта, и излучающая тепло панель является такой, как она описана в девятом аспекте изобретения.

В соответствии с тринадцатым аспектом изобретения, создается полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковое устройство, смонтированное на излучающей тепло панели, керамическую многослойную подложку, снабженную штыревым контактом для подсоединения внешней проводки, и открытое пространство для размещения полупроводникового устройства в его средней части, и металлический провод для электрического подсоединения полупроводникового устройства к контакту подложки, причем как излучающая тепло панель, так и подложка присоединяются друг к другу таким образом, что полупроводниковое устройство устанавливается в открытом пространстве, причем подложка прикрепляется к крышке таким образом, что полупроводниковое устройство изолируется от окружающей атмосферы, и излучающая тепло панель выполнена так, как она описана в девятом аспекте изобретения.

В соответствии с четырнадцатым аспектом изобретения, создается полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковое устройство, смонтированное на излучающей тепло панели, керамическую многослойную подложку, имеющую контакт для подсоединения внешней проводки, и вогнутую часть для размещения полупроводникового устройства в средней части подложки, и металлический провод для электрического подсоединения полупроводникового устройства к контакту подложки, причем как излучающая тепло панель, так и подложка присоединяются друг к другу таким образом, что полупроводниковое устройство устанавливается в вогнутой части подложки, причем подложка прикрепляется к крышке таким образом, что полупроводниковое устройство изолируется от окружающей атмосферы, и излучающая тепло панель выполнена так, как она описана в девятом аспекте изобретения.

В соответствии с пятнадцатым аспектом изобретения, создается полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковое устройство, прикрепленное к излучающей тепло панели с помощью теплопроводящей полимерной смолы, рамку с внешними выводами, прикрепленную к керамической изолирующей подложке, автоматизированную сборку ИС на ленте-носителе (TAB) для электрического подсоединения полупроводникового устройства к рамке с внешними выводами, причем как излучающая тепло панель, так и изолирующая подложка прикрепляются друг к другу таким образом, что полупроводниковое устройство изолируется от окружающей атмосферы, и гибкий корпус из теплопроводящей полимерной смолы, расположенный между полупроводниковым устройством и изолирующей подложкой, причем излучающая тепло панель выполнена так, как она описана в девятом аспекте изобретения.

В соответствии с шестнадцатым аспектом изобретения, создается полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковое устройство, закрепленное на первой излучающей тепло панели с помощью металла, вторую излучающую тепло панель, к которой прикрепляется заземляющая панель, причем первая излучающая тепло панель монтируется на заземляющей панели, и автоматизированную сборку ИС на ленте-носителе (TAB), электрически подсоединяемую к контакту полупроводникового устройства, причем полупроводниковое устройство герметизируется с помощью полимерных смол, излучающая тепло панель выполнена так, как она описана в девятом аспекте изобретения.

В соответствии с семнадцатым аспектом изобретения, создается диэлектрическая панель для электростатических поглощающих устройств, эта панель изготавливается из композитного материала, упомянутого выше.

В соответствии с восемнадцатым аспектом изобретения, создается электростатическое поглощающее устройство, в котором при приложении напряжения к электродному слою генерируется электростатическая сила притяжения между диэлектрической панелью, прикрепленной к электродному слою, и корпусом, посредством чего корпус фиксируется на поверхности диэлектрической панели, причем диэлектрическая панель выполнена как диэлектрическая панель, упомянутая в семнадцатом аспекте изобретения.

В композитном материале, относящемся к изобретению, Аu, Аg, Сu и А1 с высокой электропроводностью используются в качестве металлов и, в частности, Сu является наилучшей благодаря высокой температуре плавления и высокой прочности. В качестве неорганического соединения из композитного материала нежелательно использовать традиционные соединения с твердостью, очень отличающейся от твердости металла основы, такие как SiC или А1₂О₃, как упомянуто выше. Желательно использовать соединение, имеющее гранулированную форму, относительно низкую твердость и средний коэффициент линейного расширения в температурном диапазоне от комнатной температуры до 300^oС не более чем 1010^-6/^oC и, более предпочтительно, не более чем 710^-6/^oC. Оксид меди, оксид олова, оксид свинца, оксид никеля являются подходящими в качестве таких неорганических соединений. В частности, оксид меди с хорошей ковкостью является предпочтительным из-за его высокой обрабатываемости с точки зрения пластичности.

Способ изготовления композитного материала, относящийся к изобретению, содержит стадии плавления и литья сырого материала, содержащего медь и оксид меди, осуществления тепловой обработки материала при температуре от 800^oС до 1050^oС и осуществления холодной или горячей пластической обработки.

Кроме того, способ изготовления композитного материала, относящийся к изобретению, содержит стадии плавления и литья сырого материала, содержащего медь или медь и оксид меди, при парциальном давлении кислорода от 10^-2 Па до 10³ Па, осуществления тепловой обработки материала при температуре от 800^oС до 1050^oС и осуществление холодной или горячей пластической обработки.

Либо оксид меди (II) (Cu₂O), либо оксид меди (I) (CuO) может использоваться в качестве сырого материала. Парциальное давление кислорода в ходе плавления и литья предпочтительно составляет от 10^-2 Па до 10³ Па и более предпочтительно от 10^-1 Па до 10² Па. Кроме того, за счет изменения отношения компонентов смеси сырого материала, парциального давления кислорода и скорости охлаждения в ходе отвердевания и т.п., можно регулировать соотношение фазы Сu по отношению к фазе Cu₂О и размер и форму фазы Cu₂O композитного материала. Пропорция фазы Cu₂О предпочтительно находится в диапазоне от 10 до 55 об.%. Особенно, когда фаза Cu₂О становится больше, чем 55 об.%, теплопроводность уменьшается, и происходит изменение свойств композитного материала, что делает непригодным использование композитного материала в излучающей тепло панели полупроводникового прибора. Что касается формы фазы Cu₂O, предпочтительна фаза дендрита, сформированного в процессе отвердевания. Это происходит благодаря тому, что ветви внутри дендрита являются запутанными сложным образом, в результате чего расширение фазы Сu, имеющей большой коэффициент теплового расширения, ослабляется за счет фазы Cu₂О, имеющей малый коэффициент теплового расширения. Ветви дендрита, сформированные в процессе отвердевания, могут регулироваться за счет изменения отношения компонентов смеси сырого материала или парциального давления кислорода, для того, чтобы иметь фазу Сu, фазу Cu₂О или фазу СuО. Также возможно увеличить прочность за счет диспергирования гранулированной тонкоизмельченной фазы Cu₂O в фазу Сu с помощью эвтектической реакции. Размер и форма Cu₂О фазы могут регулироваться за счет осуществления тепловой обработки при от 800^oС до 1050^oС после литья. Кроме того, также можно преобразовать СuО (который был сформирован в процессе отвердевания) в Cu₂O фазу за счет использования процесса внутреннего окисления в упомянутой выше тепловой обработке. Другими словами, эта операция базируется на том факте, что когда СuО сосуществует с Сu, преобразование СuО в Сu₂O в соответствии со следующим уравнением (1) является термически более стабильным при высоких температурах:

2Cu + СuО --> Сu + Cu₂O (1)

Чтобы реакция по уравнению (1) достигла равновесия, требуется заданный период времени. Например, когда температура тепловой обработки составляет 900^oС, достаточным временем является приблизительно 3 часа. Размер и форма тонкоизмельченной фазы (Cu₂O), сформированной в фазе Сu за счет эвтектической реакции, может регулироваться за счет тепловой обработки.

Что касается способа плавления, в дополнение к обычному литью, может использоваться процесс однонаправленного литья, процесс непрерывного тонколистового литья и др. В процессе обычного литья дендриты формируются изотропно, и, следовательно, изготавливаемый композитный материал является изотропным. В процессе однонаправленного литья фаза Сu и фаза Cu₂О ориентируются в одном направлении и, следовательно, композитному материалу может придаваться анизотропия. В процессе непрерывного тонколистового литья дендриты становятся тонкоизмельченными из-за высокой скорости отвердевания и, следовательно, дендриты ориентируются в направлении толщины листа. По этой причине анизотропия может придаваться композитному материалу или листу, и, в то же время, можно снизить стоимость изготовления.

Кроме того, в композитном материале согласно изобретению, так как фаза Сu и фаза Cu₂О, составляющие композитный материал, имеют низкую твердость и достаточную ковкость, холодная и горячая обработка, такая как прокатка и ковка, является возможной и осуществляются как требуемая операция после литья или тепловой обработки. За счет обработки композитного материала ему придается анизотропия, кроме того, его прочность может быть увеличена. В частности, когда осуществляется холодная или горячая обработка, фаза Cu₂O вытягивается и ориентируется в направлении обработки, и анизотропия тепловых и механических свойств имеет место в направлении под прямыми углами по отношению к направлению удлинения. В то же время теплопроводность в направлении удлинения и ориентированном направлении выше, чем теплопроводность под прямыми углами по отношению к ориентированному направлению, и эта разница становится равной от 5 до 100 Вт/(мК).

Изобретение поясняется более подробно на чертежах, где:

на фиг. 1 представлена оптическая микрофотография, показывающая микроструктуру образца, относящегося к примеру 1 изобретения;

фиг.2 - оптическая микрофотография, показывающая микроструктуру образца, относящегося к примеру 2 изобретения;

фиг. 3 - оптическая микрофотография, показывающая другую микроструктуру образца, относящегося к примеру 2 изобретения;

фиг.4 - оптическая микрофотография, показывающая микроструктуру образца, относящегося к примеру 3 изобретения;

фиг.5 - оптическая микрофотография, показывающая микроструктуру образца, относящегося к примеру 4 изобретения;

фиг. 6 - вид сверху модуля биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), относящегося к примеру 5 изобретения;

фиг. 7 - сечение модуля биполярного транзистора с изолированным затвором, относящегося к примеру 5 изобретения;

фиг. 8А - 8D являются схематичными чертежами, показывающими способ изготовления модуля IGBT, относящегося к примеру 5 изобретения;

фиг.9 представляет график, показывающий величину деформации основания на каждой стадии процесса изготовления модуля IGBT, относящегося к примеру 5 изобретения;

фиг. 10А, 10В и 10С - вид сверху, сечение и вид эквивалентной схемы устройства преобразования мощности, в котором закрепляют IGBT модуль, относящийся к примеру 5 изобретения, соответственно;

фиг. 11 - график, показывающий величину деформации перед закреплением прибора преобразования мощности, в котором закрепляется IGBT модуль, относящийся к примеру 5 изобретения;

фиг. 12 - график, показывающий величину деформации после закрепления прибора преобразования мощности, в котором закрепляется IGBT модуль, относящийся к примеру 5 изобретения;

фиг. 13 - сечение корпуса из пластика со встроенной излучающей тепло панелью, относящейся к примеру 6 изобретения;

фиг. 14 - сечение корпуса из пластика с находящейся снаружи излучающей тепло панелью, относящейся к примеру 6 изобретения;

фиг. 15 - сечение керамического корпуса, относящегося к примеру 7 изобретения;

фиг. 16 - сечение керамического корпуса, снабженного излучающей тепло пластиной, относящейся к примеру 7 изобретения;

фиг. 17 - сечение полупроводникового прибора, относящегося к примеру 8 изобретения;

фиг. 18 - сечение полупроводникового прибора, относящегося к примеру 8 изобретения;

фиг. 19 - сечение многокристального модуля (МКМ), относящегося к примеру 9 изобретения;

фиг. 20 - сечение электростатического поглощающего устройства, относящегося к примеру 10 изобретения.

Ниже подробно описываются предпочтительные варианты реализации.

ПРИМЕР 1

Композитные материалы готовили путем литья исходного материала, полученного за счет смешивания меди и Cu₂O с чистотой 2 N в соотношениях, показанных в табл.1, после плавления при атмосферном давлении. Измерялись коэффициент линейного расширения, теплопроводность и твердость этих композитных материалов. Коэффициент линейного расширения измерялся в температурном диапазоне от комнатной температуры до 300^oС за счет использования стандартного образца SiО₂ с помощью измерительного устройства толкательного типа. Теплопроводность измерялась с помощью метода лазерной вспышки. Результаты этих измерений показаны в табл. 1. Микроструктура (100Х) полученного образца 3 показана на фиг.1. Поле обзора составляет 720х950 мкм. Как показано на фиг. 1, оксид меди формируется таким образом, что он образует дендритные формы и, кроме того, наблюдаются гранулированные зерна, в основном, с размерами от 10 до 50 мкм, за исключением одного крупнокускового зерна с диаметром 100 мкм. Кроме того, существуют стержнеподобные зерна диаметром не более 30 мкм и не менее чем 50 мкм в длину, и дендритные зерна. Количество таких стержней и дендритов приблизительно равно 10. Кроме того, матрица содержит гранулированные зерна, каждое из которых имеет размер не более чем 0,2 мкм, и каждое из них находится на расстоянии приблизительно 0,5 мкм от каждого дендрита, т.е. существуют не сформированные зоны 0,5 мкм шириной между гранулированным зерном и дендритным зерном. Кроме того, также существуют гранулированные зерна размером не более чем 0,2 мкм, которые лежат на нитеподобной линии.

Как ясно из табл.1, коэффициенты теплового расширения и теплопроводности измеряются в широком диапазоне за счет подбора пропорций Сu и Cu₂О, стало очевидным, что коэффициент теплового расширения и теплопроводность можно регулировать для того, чтобы иметь тепловые характеристики, требующиеся для излучающей тепло панели.

С другой стороны, как ясно из микроструктуры, показанной на фиг. 1, Cu₂O приобретает структуру дендритов, и композитный материал имеет тонкую структуру, в которой фаза Сu и фаза Cu₂О являются по существу однородно диспергированными. Кстати, белая и черная части на фотографии представляют фазу Сu и фазу Cu₂O соответственно.

Результаты измерения твердости выявили, что твердость фазы Сu по Виккерсу составляет от 75 до 80 и что фазы Cu₂O по Виккерсу составляет от 210 до 230. В результате оценки обрабатываемости путем обрешетки и сверления стало очевидно, что обрабатываемость является настолько отличной, что легко получить любую планируемую форму из композитного материала.

ПРИМЕР 2

Композитные материалы получались за счет процесса однонаправленного отвердевания путем литья исходного материала, полученного путем смешивания меди и Cu₂О с чистотой 3N в соотношениях, показанных в табл. 2, после плавления при различных парциальных давлениях кислорода. Микроструктура (100Х) образца 7, который отливался после плавления в атмосфере с парциальным давлением кислорода 10^-2 Па, показана на фиг.2. Как ясно из фотографии, некоторая часть фазы Cu₂O приобрела структуру дендритов, и, кроме того, гранулированные зерна наблюдались, главным образом, с размерами от 5 до 50 мкм. Кроме того, в структуре существуют линейно лежащие стержнеподобные зерна и дендритные зерна, каждое из этих стержнеподобных и дендритных зерен имеет диаметр не более чем 30 мкм и длину не менее чем 50 мкм. Их число составляет около 16. Можно видеть одно крупнокусковое зерно с диаметром не менее чем 100 мкм. В матрице большая часть фазы Cu₂О представляет собой гранулированные зерна с размерами не более, чем 0,2 мкм и нитеподобные зерна, лежащие таким образом, что они формируют сеть. Что касается мелких зерен Cu₂О в матрице, заметно, что существуют несформированные зоны, аналогично случаю фиг.1.

Микроструктура (00Х) образца N8, который был получен путем литья после плавления в атмосфере с парциальным давлением кислорода 10³ Па, показана на фиг.3. Как ясно из фотографии, в фазе Cu₂О формируются дендриты, и структура ориентирована в одном направлении. Также стало очевидным, что форма и плотность фазы Cu₂О может регулироваться путем измерения сырого материала и парциального давления кислорода. Как показано на фигуре, существуют гранулированные зерна с размером зерна от 5 до 30 мкм, дендритные зерна и стержнеподобные зерна с диаметром не более чем 30 мкм и длиной не более чем 50 мкм. Количество этих дендритных и стержнеподобных приблизительно равно 33, и самое длинное из них имеет длину приблизительно 200 мкм. Аналогично случаям композитных материалов, показанных на фиг.1 и 2, матрица содержит гранулированные зерна, каждое из которых имеет размер не более, чем 0,2 мкм, и существуют несформированные зоны между гранулированным зерном, стержнеподобным зерном и дендритным зерном, и в этом примере они формируются плотно по всей матрице, так что область, где формируются мелкие зерна, становится малой.

В табл.2 показаны результаты измерения коэффициента линейного расширения и теплопроводности упомянутых выше двух видов композитных материалов. Из результатов видно, что в каждом из композитных материалов наблюдается анизотропия, касающаяся коэффициента линейного расширения и теплопроводности. Продольное направление является направлением отвердевания отливок и поперечное направление является вертикальным направлением по отношению к направлению отвердевания. Коэффициент линейного расширения немного больше в продольном направлении, чем в поперечном направлении, когда содержание Cu₂O становится меньше, чем 30% по объему, и теплопроводность становится не менее чем в 1,1 раз больше в продольном направлении, чем в поперечном направлении.

Кстати, даже при вдувании кислорода в расплав сырого материала получался такой же результат, как в случае, когда кислород использовался как атмосферный газ.

ПРИМЕР 3

Упомянутый выше образец N8 подвергался горячей обработке при 900^oС вплоть до коэффициента обработки 90%. Как результат, стало очевидным, что обрабатываемость является хорошей и что композитные материалы изобретения являются отличными при пластической обработке. Фиг.4 показывает микроструктуру (100Х) образца N9, показанного в табл. 3. По сравнению с первоначально расплавленным композитным материалом, была получена структура, в которой ориентационное свойство стало заметным и в которой Cu₂О фаза вытягивается в направлении пластической обработки для того, чтобы стать длиннее в одном направлении, в результате чего структура этого образца приобретает относительное удлинение в диапазоне от 1 до 20. Диаметр стержнеподобного зерна не более 20 мкм и в основном от 1 до 10 мкм. Количество зерен Cu₂О, имеющих стержнеподобную форму с длиной не менее чем 100 мкм, приблизительно равно 15. Мелкие зерна размером не более 0,2 мкм в первоначально расплавленном состоянии выросли до зерен размером приблизительно от 2 до 5 мкм. Кроме того, как показано в табл. 3, в образце N9 наблюдается более заметная анизотропия, относящаяся к коэффициенту линейного расширения и теплопроводности. В частности, теплопроводность в продольном направлении вдоль стержнеподобных зерен в 1,22 раза больше, чем теплопроводность в поперечном направлении. Коэффициент линейного расширения немного больше в продольном направлении, чем в поперечном направлении.

ПРИМЕР 4

Фиг. 5 показывает микроструктуру (100X) образца 10, показанного в табл. 4, который получился за счет осуществления тепловой обработки упомянутого выше образца 9 при температуре 900^oС в течение 3 ч. За счет тепловой обработки фаза Cu₂O вытягивалась в направлении пластической обработки, и почти все зерна укрупнялись так, что они имели диаметр стержня от 5 до 30 мкм, в то же время сохраняя свое ориентационное свойство. В результате количество стержнеподобных зерен длиной не менее чем 100 мкм стало приблизительно равно 50, и они лежали так, что их длины увеличились по сравнению с длиной до тепловой обработки. Кроме того, мелкие зерна выросли до зерен размером от 2 до 5 мкм, поэтому такие мелкие зерна исчезли. Как показано в табл. 4, анизотропия в коэффициенте линейного расширения и теплопроводности этого образца уменьшилась по сравнению с образцом 9, и теплопроводность увеличилась в каждом направлении, в то же время компенсируя это уменьшение анизотропии. Следовательно, анизотропия коэффициента линейного расширения и теплопроводности можно было регулировать за счет управления структурой путем обработки или воздействия тепла после обработки. Теплопроводность в продольном направлении была в 1,1 раз больше, чем проводимость в поперечном направлении.

ПРИМЕР 5

В этом примере медный композитный материал изобретения наносится на излучающую тепло панель (основную панель) модуля биполярного транзистора с изолированным затвором (обозначенного здесь ниже как IGBT модуль), который является одним из силовых полупроводниковых устройств.

Фиг.6 представляет собой вид сверху внутренней части модуля и фиг.7 представляет собой сечение части модуля.

IGBT элементы и диодные элементы частей 1022 прикрепляются к подложке 103 из A1N с использованием припоя 201. Эта подложка A1N формируется за счет прикрепления медной фольги 202 и 203 к A1N панели 204 с использованием серебряного материала для пайки (не показан). На подложке A1N 103 формируются области для эмиттера 104, коллектора 105 и затвора 106. IGBT элемент 101 и элемент диода 102 припаиваются к области коллектора 105. Каждый элемент присоединяется к эмиттеру 104 с помощью металлического провода 107. Кроме того, элемент сопротивления 108 располагается в области затвора 106, и контактная площадка затвора IGBT элемента 101 подсоединяется к элементу резистора 108 с помощью металлического провода 107. Шесть подложек A1N 103, на каждой из которых смонтировано полупроводниковое устройство, прикрепляются к материалу основы 109, содержащему Cu-Cu₂О сплав, относящийся к изобретению, за счет использования припоя 205. Соединение между изолирующими подложками осуществляется с помощью припоя 209, который подсоединяет контакт 206 блока корпуса 208, в котором объединяются контакт 206 и корпус из полимерных смол 207, к подложке A1N 103. Кроме того, корпус 207 и материал основы 109 прикрепляются друг к другу с помощью клея на основе силиконового каучука 210. Что касается соединения контакта блока корпуса 208, основные контакты на каждой подложке A1N 103 подсоединяются к двум точкам по отношению к каждому положению соединения контакта эмиттера 110, положению соединения контакта контрольного провода эмиттера 111 и положению соединения контакта коллектора 112, и подсоединяются к одной точке по отношению к положению соединения контакта затвора 113. Далее силиконовый гель 212 выливается из крышки корпуса 211, снабженной отверстием для выливания смолы, таким образом, что покрывается вся поверхность контакта, и термоотверждающаяся эпоксидная смола 213 затем разливается по всей поверхности, тем самым завершая создание модуля.

В табл. 5 показан коэффициент теплового расширения и теплопроводность обычно используемых материалов основы и те же параметры материалов, состоящих из Сu и 30 об.% Сu₂О, что является одним из материалов сплавов Cu-Cu₂О изобретения, полученных в примерах с 1 по 5. В полупроводниковых приборах, в которых используется материал основы Cu-Cu₂O, коэффициент теплoвого расширения меньше по сравнению с обычно используемыми модулями на основе Сu, следовательно, надежность припоя 209, который прикрепляет подложку A1N 103 к материалу основы 109, может быть улучшена. С другой стороны, в полупроводниковых устройствах на основе Мо или на основе AIN-SiC, используемых для улучшения надежности припоя при сложных условиях работы, теплопроводность также является небольшой, хотя коэффициент теплового расширения мал по сравнению с полупроводниковыми устройствами, в которых используется материал основы Cu-Cu₂O, в результате возникает проблема большого теплового сопротивления модуля. В модуле, где используется основа Cu-Cu₂О этого примера, можно гарантировать, что надежность (срок службы по тесту термической усталости) составляет не менее чем в 5 раз больше, чем этот срок службы модуля, в котором используется основа Сu и что тепловое сопротивление не более чем в 0,8 раз меньше, чем тепловое сопротивление модуля, в котором используется Мо основа, когда толщина этих основ равна.

Эти эффекты дают возможность расширять диапазон выбора структуры модуля и других элементов. Например, в примере, показанном на фиг.6, поскольку материал основы из сплава Cu-Cu₂О имеет более высокую теплопроводность, чем материал основы из Мо, другими словами, поскольку он обеспечивает улучшенное рассеивание тепла, разность температур между концами и серединой полупроводникового устройства во время его работы может быть снижена до малых значений и, следовательно, размер полупроводникового устройства может быть сделан примерно в 1,2 раза больше, чем размер стандартного модуля. Это позволяет сконструировать модуль таким образом, чтобы он содержал 24 элемента IGBT, по сравнению с использованием 30 элементов IGBT в стандартном полупроводниковом устройстве для того, чтобы обеспечить ту же величину тока, и размер модуля может быть уменьшен. Кроме того, в качестве изолирующей подложки можно использовать подложку из окиси алюминия, которая имеет теплопроводность примерно на 20% меньше, чем A1N. Окись алюминия имеет более высокую прочность, чем A1N, и размер подложки может быть сделан больше. Кроме того, подложка из окиси алюминия имеет больший коэффициент теплового расширения, чем подложка A1N, и разница в значении коэффициента теплового расширения по сравнению с материалом основы может быть сделана меньше и, следовательно, величина деформации самого модуля также может быть уменьшена. Так как использование подложки из окиси алюминия дает возможность увеличить допустимый размер подложки, количество полупроводниковых устройств, размещаемых на подложке, может быть увеличено. Другими словами, можно уменьшить область, необходимую для обеспечения изоляции для каждой изолирующей подложки и уменьшить область между подложками и, следовательно, размер модуля может быть меньше.

Фиг. 8А - 8D представляют собой схематичные чертежи процесса изготовления модуля этого примера. На фиг.8А материал основы 109, содержащий Cu-Cu₂O, изготовлен так, что он имеет преимущественно плоские поверхности, покрытые Ni. На фиг.8В A1N подложка 103, к которой припаивается IGBT элемент 101, прикрепляется к материалу основы 109 за счет использования припоя 205. В то же время, так как коэффициент теплового расширения материала основы 109 больше, чем коэффициент теплового расширения корпуса композита 301, который содержит

полупроводниковое устройство и A1N подложку, задняя поверхность модуля деформируется вогнутым образом в процессе охлаждения пайки. На фиг.8С на стадии сборки блока корпуса 208 с термоотверждающим клеем, так как коэффициент теплового расширения корпуса больше, чем коэффициент теплового расширения корпуса композита 301, припаивание которого завершено, задняя поверхность модуля становится почти плоской в процессе охлаждения клея. На фиг.8D, за счет заполнения внутренней части модуля силиконовым гелем 212 и термоотверждающей эпоксидной смолой 213, задняя поверхность модуля деформируется выпуклым образом, так как тепловое расширение полимерной смолы велико.

На фиг. 9 показан результат измерения величины деформации задней поверхности на каждой стадии. Когда используется Сu-Cu₂O основа изобретения, величина деформации может быть уменьшена до 1/3 величины деформации модуля, в котором используется стандартная основа из Мо. Кроме того, в случае основы из Сu, что не показано на фиг. 9, отличие коэффициента расширения от коэффициента расширения подложки AlN является значительным, поэтому задняя поверхность модуля деформируется вогнутым образом с большой величиной деформации в ходе стадии фиг.8В, и задняя поверхность становится вогнутой с деформацией не менее чем 100 мкм даже после укомплектования модуля. В основе Cu-Cu₂O изобретения величина деформации модуля может быть уменьшена и, следовательно, можно выполнить размер модуля больше. Кроме того, аналогично величине деформации на стадиях сборки, величина изменения деформации из-за разности температур в ходе работы модуля также является малой, поэтому можно предотвратить выход смазки, нанесенной между модулем и охлаждающей пластиной.

На фиг.10 показан вариант реализации устройства для преобразования мощности, в котором используется модуль изобретения. В этом примере модуль 501 монтировался на теплоотводе 511 с помощью скрепляющих болтов 512 с излучающей тепло смазкой 510, расположенной между модулем и теплоотводом, посредством чего формируется двухуровневый инвертор. В общем, модули 501 силового полупроводникового прибора монтируются по отношению друг к другу в поперечном реверсивном направлении таким образом, что средняя точка (точка В) может быть соединена на одном соединении средней точки 503. Фазы u-, v- и w присоединяются к каждому соединению со стороны коллектора 502 и соединению со стороны эмиттера 504, и мощность прикладывается к ним от источника 509. Сигнальный проводник формируется из соединения затвора 505, вспомогательного соединения эмиттера 506 и вспомогательного соединения коллектора 507 модуля 501 каждого IGBT. Номер 508 обозначает нагрузку.

На фиг. 11А и 11В и фиг.12А и 12В показана величина деформации задней поверхности модуля (толщину смазки), измеряемой соответственно перед и после герметизации модуля, когда модуль был смонтирован. На этих фигурах фиг.11А и 12А показан модуль, в котором используются сплавы Cu-Cu₂О изобретения, показанные в примерах с 1 по 4, и фиг.11А и 12В показан модуль традиционного метода. В случае традиционно известного модуля на основе Al-SiC, величина выпуклой деформации задней поверхности составляет приблизительно 100 мкм. Однако когда модуль герметизируется при нанесении смазки, модуль деформируется в процессе герметизации за счет сжатия смазкой, поэтому задняя поверхность модуля деформируется в противоположном направлении, вогнутым образом с толщиной смазки, большей в ее середине, что проявляется в увеличении сопротивления контакта. В противоположность этому, в изобретении при основе модуля Сu и в количестве 30% по объему Cu₂О величина начальной деформации задней поверхности составляет, приблизительно, 50 мкм. Однако из-за большой твердости материала основы толщина смазки в середине модуля после нанесения смазки и герметизации уменьшается до приблизительно 50 мкм, т.е. составляет половину толщины смазки при стандартной основе А1-SiC. Кроме того, также можно уменьшить изменение толщины смазки внутри модуля. Проблема деформации модуля, которая происходит в ходе монтажа из-за того, что к модулю прилагается усилие со стороны смазки естественно возрастает, даже когда монтируется модуль на основе Сu меньшей твердости, чем модуль основы сплава Cu-Cu₂O. Эта проблема может быть решена за счет использования модуля на основе сплава Cu-Cu₂О изобретения.

Как показано на фигурах, основа, сплава Cu-Cu₂О изобретения может обеспечивать меньшее тепловое сопротивление и меньшее контактное тепловое сопротивление, чем такие материалы основы как Мо и Al-SiC, наносимые на стандартные высоконадежные модули. В результате модуль может быть смонтирован более компактно, как показано на фиг.10. Кроме того, так как эффективность охлаждения охлаждающей пластины может быть уменьшена, область закрепления и объем устройства преобразования энергии могут быть уменьшены. Также, из-за того что толщина смазки может быть уменьшена, допустимый диапазон пологости охлаждающей пластины может быть установлен широким и, следовательно, является возможным устанавливать устройство преобразования мощности с использованием большой пластины. Кроме того, вспомогательная функция охлаждения, такая, как усиленное охлаждение и т.п., может быть исключена, и в этом отношении конструкция малого размера и конструкция с малым шумом могут быть также приемлемыми.

ПРИМЕР 6

Излучающая тепло панель, изготовленная из каждого из композитных материалов, содержащих сплав меди-оксида меди изобретения, описанный в примерах с 1 по 4, использовалась в пластиковых корпусах, в каждом из которых монтировалась интегральная схема, показанная на фиг.13 и 14. На фиг.13 показан пластиковый корпус со встроенной излучающей тепло панелью, а на фиг.14 показан пластиковый корпус с наружной излучающей тепло панелью.

Излучающие тепло панели изготавливались путем изменения их химических составов Сu-и содержание Сu₂О меняется в диапазоне от 20 до 55 об.% таким образом, что коэффициент теплового расширения в диапазоне температур от комнатной температуры до 300^oС становится от 910^-6/^oC до 1410^-6/^oC, в то же время нужно учитывать коэффициент теплового расширения формованной полимерной смолы, и они использовались после машинной обработки и нанесения слоя покрытия из Ni.

Ниже со ссылкой на фиг.13 поясняется структура корпуса. Рамка с внешними выводами 31 прикрепляется к никелированной излучающей тепло панели 33, изготовленной из медного композитного материала изобретения через изолирующую полиимидную ленту 32. Интегральная схема 34 прикрепляется к излучающей тепло панели 33 с помощью пайки. Кроме того, А1 электрод на интегральной схеме подсоединяется к рамке с внешними выводами с помощью Аu провода 35. За исключением части рамки с внешними выводами, они герметизированы с помощью формованной полимерной смолы 36, основными компонентами которой являются эпоксидная смола, силиконовый наполнитель, отверждающий агент. Корпус с наружной излучающей тепло панелью, показанный на фиг.14, отличается от корпуса, показанного на фиг.13, в том отношении, что излучающая панель 33 находится снаружи, вне формованной полимерной смолы.

Корпуса, смонтированные, как упомянуто выше, исследовались для выяснения есть или нет деформации и трещины в соединениях между излучающей тепло панелью и формованной полимерной смолой. В результате было обнаружено, что не существует проблемы, когда разница в тепловом расширении между формованной полимерной смолой и излучающей тепло панелью составляет не более чем 0,510^-6/^oC, и что с точки зрения химического состава предпочтительным является состав с высокой теплопроводностью в 200 Вт/ (мК), содержащий Сu и от 20 до 35 массовых процентов Cu₂O.

ПРИМЕР 7

На фиг.15 и 16 показаны поперечные сечения керамических корпусов, в которых один из медных композитных материалов изобретения, описанных в примерах с 1 по 4, используется в качестве излучающей тепло панели, и в которых смонтирована интегральная схема. Во-первых, рассматривается корпус, показанный на фиг.15. Интегральная схема 41 присоединяется к никелированной излучающей тепло панели 42 за счет использования полимерной смолы на полиимидной основе. Далее излучающая тепло панель 42 присоединяется к корпусу 43 из А1₂О₃ с помощью припоя. В корпусе создается Сu соединение, которое снабжается штыревым контактом 44 для соединения с подложкой соединения. А1 электрод на интегральной схеме и соединение на корпусе соединяются с помощью А1 провода 45. Для того чтобы герметизировать их, сварное кольцо 46 из кобальт-никелевого сплава прикреплялось к корпусу с помощью серебряного припоя, и сварное кольцо, и крышка 47 из кобальт-никелевого сплава сваривались вместе с помощью роликового сварочного электрода. На фиг.16 показан корпус, полученный путем присоединения излучающей тепло пластины 48 к керамическому корпусу, представленному на фиг.15.

ПРИМЕР 8

На фиг.17 и 18 показаны корпуса, в которых используется технология автоматизированной сборки ИС на ленте-носителе (автоматического соединения на ленте-носителе, TAB), и каждый из медных композитных материалов изобретения, описанных в примерах с 1 по 4, используется в качестве излучающей тепло панели.

Во-первых, рассматривается корпус, представленный на фиг.17. Интегральная схема 51 присоединяется к излучающей тепло панели 53, относящейся к изобретению, с помощью теплопроводящей полимерной смолы 52. Au столбиковые выводы 54 формируются на контактах интегральной схемы, которые подсоединяются к TAB 55, и TAB, в свою очередь, подсоединяется к рамке с внешними выводами 57 через тонкопленочное соединение 56. Интегральная схема герметизируется керамической подложкой 59 Аl₂О₃, решеткой с внешними выводами 60 и герметизирующим стеклом 61, в то же время прикрепляющим силиконовый каучук 58.

На фиг.18 показан герметизированный полимерной смолой корпус. Интегральная схема 65 присоединяется к никелированной излучающей тепло панели 67, согласно изобретению, за счет использования Au-Si сплава 66 и, кроме того, прикрепляется как к панели на основе меди 69, так и к никелированной излучающей тепло панели 70 изобретения за счет использования теплопроводящей полимерной смолы 68. С другой стороны, контакты ИС прикрепляются к TAB 72 с помощью Au столбиковых выводов 71 и герметизируются за счет использования каучука 73. В этом корпусе часть рамки с внешними выводами и излучающей тепло панели находятся снаружи по отношению к внешней стороне герметизирующей полимерной смолы. TAB прикрепляется к панели на основе меди за счет использования Аg пасты на основе эпоксидной смолы 74.

ПРИМЕР 9

На фиг. 19 показан вариант реализации МКМ (многокристального модуля), в котором каждый из медных композитных материалов изобретения, описанных в примерах с 1 по 4, используется в качестве излучающей тепло панели. ИС 81 присоединяется Аu проводом 82 к тонкопленочному соединению 84, сформированному на никелированной излучающей тепло панели 83 изобретения, причем ИС, кроме того, присоединяется к соединению, сформированному на корпусе 85 из AIN с помощью Аu провода, и ИС рассматривается как внешний контакт 86. Часть ИС герметизируется крышкой 87 сплава 42, при одновременном расположении и присоединении предварительно отформованной заготовки 88 сплава Au-Sn между крышкой 87 и W-металлизированным слоем корпуса.

ПРИМЕР 10

На фиг.20 показано сечение электростатического поглощающего устройства, в котором используется композитный материал изобретения.

Как показано на фиг.20, это электростатическое поглощающее устройство может быть использовано как фиксатор для напыляющего устройства, которое осуществляет обработку заготовки 90 проводника или полупроводника при уменьшенном давлении в камере вакуумной обработки 95. Когда напряжение (приблизительно 500В) прикладывается к электроду 94 этого электростатического поглощающего устройства от блока питания постоянного тока 91, заготовка 90 может адсорбироваться на поверхности диэлектрической панели 92. Диэлектрическая панель, используемая в этом примере, изготавливалась из каждого из композитных материалов, содержащих сплав меди и оксида меди, описанных в примерах с 1 по 4.

При осуществлении реального напыления путем управления вакуумным насосом, подсоединенным к каналу выхода газа 97 после установки заготовки 90 на это электростатическое поглощающее устройство, камера вакуумной обработки 95 вакуумируется до тех пор, пока внутреннее давление в камере не станет приблизительно 110^-3 Па. После этого при открытии клапана, прикрепленного к входному отверстию для газа 96, приблизительно 10 см³, при нормальных условиях реакционного газа (газообразный аргон и т.д.) вводилось во внутреннюю часть камеры вакуумной обработки 95. Внутреннее давление в камере вакуумной обработки 95 в то же время составляло приблизительно 210^-2 Пa.

После этого при снятии высокочастотной мощности (13,56 МГц) приблизительно 4 кВт с электрода 94 этого электростатического поглощающего устройства плазма генерировалась между электродом 94 этого электростатического поглощающего устройства и другим электродом (не показан). В этом случае приложенное высокочастотное напряжение v_Dc и v_pp составляло 2 кВ и 4кВ соответственно. Кстати, согласующая коробка 98, расположенная между электродом 94 этого электростатического поглощающего устройства и блоком высокочастотной мощности 93, использовалась для осуществления согласования импедансов с камерой вакуумной обработки 95 таким образом, что высокочастотная мощность по существу прикладывалась к плазме.

В результате реального использования этого устройства напыления, хотя температура заготовки 90 достигала приблизительно 450^oС, в ходе обработки никаких трещин и т.п., которые могли бы вызвать появление инородного вещества, не наблюдалось в диэлектрической панели 92 этого электростатического поглощающего устройства. Это означает, что использование этого электростатического поглощающего устройства является полезным для улучшения надежности обработки.

Кстати, нет необходимости говорить, что тот же самый эффект улучшения обработки, который наблюдался в фиксаторе для устройства напыления, также достигается, когда это электрическое поглощающее устройство используется как фиксатор для устройства обработки для применения обработки к заготовке проводника или полупроводника (например, подложка из кремния) в атмосфере при уменьшенном давлении (где устройство для обработки представляет собой так называемое устройство обработки при уменьшенном давлении и включает, например, устройство для химического осаждения из паровой фазы, устройство для физического осаждения из паровой фазы, устройство измельчения, устройство для травления и устройство для ионной имплантации).

В соответствии с этим примером, тепловое сопротивление диэлектрической панели электростатического поглощающего устройства может быть улучшено без уменьшения диэлектрической силы пробоя диэлектрической панели. Следовательно, при использовании электростатического поглощающего устройства изобретения в качестве фиксатора для устройства для осуществления обработки при уменьшенном давлении, появление инородных веществ, вызванное трещинами и т. п., в диэлектрической пластине может быть уменьшено.

Композитные материалы настоящего изобретения имеют хорошую обрабатываемость с точки зрения пластичности и содержат фазу Сu с высокой теплопроводностью и фазу Cu₂О с низким тепловым расширением. Так как коэффициент теплового расширения и теплопроводность могут регулироваться подбором компонент фазы Сu и фазы Cu₂O, могут использоваться композитные материалы в широком диапазоне применений в качестве излучающей тепло панели, смонтированной на полупроводниковом приборе, и т.п.