Hochwärmeleitfähige Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe T. Mrotzek, J. Linke, R. Bollina, S. Knippscheer 1. Einleitung Das Wärmemanagement, vor allem für Hochleistungsbauelemente in der Mikroelektronik sowie in Hochleistungslaserdiodenpackages wird mehr und mehr zu einem kritischen Aspekt [1,2]. Vor allem zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer dieser Komponenten bedarf es neuer Werkstoffe, die nicht nur höhere Wärmeleitfähigkeiten (TC thermal conductivity) als die etablierten Materialien wie Kupfer oder MoCu aufweisen, sondern auch einen dem Halbleitersubstrat angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE coefficient of thermal expansion) besitzen. Der CTE sollte mit dem der Halbleitersubstrate kompatibel sein, also im Bereich zwischen 4-7 ppm/k liegen. Zur Kombination der Materialien mit verschiedenen Halbleitersubstraten kann der CTE bei Verwendung von Verbundwerkstoffen durch die Variation der Komponenten des Verbundsystems gezielt verändert werden. Gerade Diamant mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1500 W/mK für kommerziell erhältlich Industriediamanten eignet sich als eine Komponente eines solchen Verbundwerkstoffes. Die andere Komponente des Systems bilden dann idealer weise Metalle mit hohen Wärmeleitfähigkeiten. Attraktive Kandidaten sind Kupfer, Silber oder Aluminium. Dieser Artikel gibt einen Überblick über Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe als Materialen zum Wärmemanagement in oben genannten Hochleitungssystemen. Es wird ein Überblick über die thermischen Eigenschaften, die Zuverlässigkeit und die Stabilität des Materials unter Einsatzbedingungen gegeben. 2. Herstellungstechnologie und Materialeigenschaften Diamant-Metall-Verbunde können sowohl mit Hilfe der Gasdruckinfiltration von Metallen wie Silber, Kupfer oder Aluminium in eine Diamantpreform oder Diamantschüttung als auch mit Hilfe des Direktsinterns hergestellt werden. Dabei wird eine Metall-/Diamantpulvermischung im direkten Stromdurchgang unter Druck erwärmt und letztendlich gesintert. Da der Benetzungswinkel der oben genannten Metalle mit Diamant zum Teil sehr groß ist, die Schmelzen den Diamanten als nicht benetzen, ist es notwendig mit Legierungselementen zu arbeiten, die für eine bessere Anbindung des Metalls an den diamanten sorgen. Für die Herstellung der in diesem Artikel vorgestellten Verbunde wurden Diamantpulver mit einer Körnung von US
70/80 Mesh verwendet. Die Qualität und der Volumengehalt des Diamantkornes üben einen starken Einfluss auf die thermischen Eigenschaften des Verbundes aus. Zur Infiltration wurde das Diamantkorn in Graphitformen gefüllt. Die Diamantschüttung bestimmt dann den Volumengehalt des Verbundes. Die hier beschriebenen Verbunde weisen einen Diamantvolumengehalt von 50%. auf. Die so gefüllten Formen werden mit dem zu infiltrierenden Metall gefüllt und evakuiert. Die Formen werden unter Vakuum über die Schmelztemperatur des Metalls geheizt. Nach einer Halteperiode nach oberhalb der Schmelztemperatur wird ein Gasdruck in der Ofenkammer aufgebaut der bewirkt, dass das flüssige Metall in die Diamantschüttung gedrückt wird. Danach wird der Ofen abgekühlt. Den Prozess zeigt Abbildung 1 schematisch. Weitere Informationen zu diesem Prozess und anderen Anwendungen für Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe können den Veröffentlichungen [3,4] entnommen werden. Abbildung 1: Prozessschema der Gasdruckinfiltration An infiltrierten Proben wurden Dichte- und Wärmeleitfähigkeitsmessungen durchgeführt. Weiterhin wurden der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Rauhigkeit der wie infiltrierten Proben ermittelt. Die Dichtemessung erfolgte nach ISO 3369 nach dem archimedeschen Prinzip. Die Oberflächenrauhigkeit wurde mit einem taktilen Oberflächenmessgerät TK100 in Übereinstimmung mit DIN 4777 gemessen. Die CTE Messungen erfolgten mit Hilfe einem Dilatometer vom Typ Netzsch 402C. Die Messungen erfolgten in He Atmosphäre (Flussrate: 50ml/min) zwischen 10 C und 160 C mit einer Aufheizrate von 3K/min. Jede Probe wurde zweimal gemessen. Mit Hilfe einer Netzsch LFA 447 Nanoflash TM Anlage wurden Temperaturleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität ermittelt. Das System
wurde mit einem Aluminiumstandard kalibriert. Die gemessenen Eigenschaften zeigt Tabelle 1 Ag-Diamantverbund Al- Diamantverbund Cu-Diamantverbund Dichte [g/cm 3 ] 6.0-6.2 2.9-3.1 5.5±0.04 Spez. Wärmekapazität 0.31 0.64 0.44 [J/gK] Wärmeleitfähigkeit[W/m.K] 20 C/100 C 600±50/560±40 485±45/455±45 470/465 CTE [ppm/k] 5.9/6.8 7.5/9.0 6.7/7.7 20 C/100 C Spez. elektrischer 8.5-9.0 16±3 9±0.8 Widerstand[µΩcm] E-Modul [GPa] 250-300 220-250 255±10 Biegefestigkeit [MPa] 320-380 100-120 230±10 Tabelle 1: Thermische Eigenschaften von Diamant-Metall-Verbunden (bei 20 C), Wärmeleitfähigkeit und CTE zwischen 20 C und 100 C 3. Vergleich der Eigenschaften von Diamant-Metall-Verbunden mit etablierten Thermal Management Werkstoffen Etablierte Thermal Management Werkstoffe für elektronische Packages zeigt Abbildung 2. Metalle wie Silber, Kupfer und Aluminium haben eine gute Wärmeleitfähigkeit aber einen Wärmeausdehnungskoeffizienten der deutlich größer als der von Halbleitermaterialien ist. Die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verursacht im Einsatz Thermospannungen die schließlich zum Versagen des Packages führen können und damit entscheidend die Lebensdauer beeinflussen. Auf der anderen Seite weisen Materialien mit angepassten CTE, zum Beispiel AlSiC, CuW oder MoCu, niedrige Wärmeleitfähigkeiten auf. Diamant- Metall-Verbunde wie Silberdiamantverbund (AgCD), Kupferdiamantverbund (CuCD) oder Aluminiumdiamantverbund (AlCD) hingegen, vereinen hohe Wärmeleitfähigkeit und angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander. Sie erweisen sich damit als äußerst attraktive Werkstoffe zur Integration in elektronische Anwendungen mit hohen Thermal Management Anforderungen.
Abbildung 2: Thermal Management Werkstoffe für elektronische Packages 4. Die Rolle des Interfaces zwischen Metallmatrix und Diamant Zur Ermittelung der Zuverlässigkeit erfolgten thermische Zyklierversuche laut JESD-A104-C und Pressure cooker tests laut JESD 22-A102. Die thermischen Eigenschaften sind nach diesen Tests reduziert [5]. Die Verminderung der Wärmeleitfähigkeit nach dem thermischen Zyklieren ist abhängig von der Zusammensetzung der verwendeten Legierung. Der Silberdiamantverbund zeigt eine vernachlässigbare Veränderung der thermischen Eigenschaften nach dem thermischen Zyklieren und nach dem Pressure cooker test. Die Wärmeleitfähigkeit der Kupferdiamantverbunde hingegen fällt um 5-10% nach dem thermischen Zyklieren. Nach dem Pressure cooker test werden keine Veränderungen der thermischen Eigenschaften festgestellt. Entsprechend ihrer hygroskopischen Eigenschaften degradieren Aluminiumdiamantverbunde allerdings in feuchter Atmosphäre. Das kann allerdings durch die Beschichtung mit Ni verhindert werden. Das während der Infiltration gebildete Interface zwischen dem Diamanten und der Metallmatrix bestimmt dabei im Wesentlichen die thermischen Eigenschaften und
die Stabilität der Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe. Dieses Interface trägt die mechanische Stabilität der Verbunde und ist für den Wärmeübergang zwischen Metallmatrix und Diamant verantwortlich. Die Legierungsbestandteile der Metalle bilden während der Infiltration die das Interface charakterisierenden Karbide an der Oberfläche der Diamanten. Die Karbide sind bei Raumtemperatur stabil. Den thermomechanischen Belastungen der thermischen Zykliertests widersteht hingegen nur das Interface im Silberdiamantverbund ausnahmslos gut [5]. Abbildung 3 zeigt exemplarisch das Interface zwischen Metall und Silbermatrix eines Silberdiamantverbundes nach dem thermischen Zyklieren. Das Interface ist intakt. Es konnten keine Delaminationen oder Mikroporen beobachtet werden. Abbildung 3: Bruchfläche eines Silberdiamantverbundes nach dem thermischen Zyklieren 5. Packageintegration Near Net Shape Technologien und fortschrittliche Trennverfahren erlauben es auch Verbundwerkstoffe mit hohen Diamantgehalten in verschiednen Geometrien zu fertigen. Nicht nur einfache quader- oder blockähnliche Geometrien sind möglich, sondern auch komplexere Oberflächengeometrien mit Fasen, Rundungen oder Löchern können realisiert werden. Die Abmessungen reichen von 10mm x 10mm bis hin zu 200mm x 200mm mit Bauteildicken zwischen 1-6 Millimetern. Die erreichbaren Abmessungen und Toleranzen sowie die möglichen
Oberflächenqualitäten sind in Tabelle 2 und Tabelle 3 aufgeführt. Zusätzlich können die Verbunde mit Silber, Kupfer oder Aluminium metallisiert werden. Dadurch werden mechanisch bearbeitbare Oberflächen erhalten. Dicke [mm] Länge [mm] Breite [mm] Standardgrößen Abmessung Toleranz 1.2-6.0 0.1mm 0.1mm 0.1mm Standardgrößen metallisiert Abmessung Toleranz 1.5-6.4 0.05 0.1 0.1 Tabelle 2: Standardgrößen und Toleranzen für Diamant-Metall-Verbunde Rauhigkeit (Ra) Ebenheit Standard <3 µm 0.10 mm metallisiert < 0.1 µm < 0.02 mm Tabelle 3: Oberflächenqualitäten und Ebenheiten von metallisierten und nicht metallisierten Diamant-Metall-Verbunden Dern Querschnitt eines mit Silber metallisierten Silberdiamantverbundes zeigt Abbildung 4. Zusätzliche Beschichtungen, wie zum Beispiel Ni, Au oder Au/Sn, gewährleisten eine sauerstofffreie Oberfläche sowie Diffusionsbarrieren für mikrooder optoelektronische Anwendungen. Ag-Metallisierung Ag-Diamantverbund Abbildung 4: Querschnitt einer Diamantverbundwärmesenke aus AgCD mit SilberMetallisierung
6. Zusammenfassung Diamant-Metall-Verbunde vereinen hohe Wärmeleitfähigkeiten mit einem der Anwendung angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten. Sie sind damit in der Lage den steigenden Anforderungen des Thermal Managements gerecht zu werden. Ihre Einsatzmöglichkeiten finden sich in Heatsinks oder Heatspreadern für CPU s und Laserdioden oder Modulen der Leistungselektronik. Eine Reihe von Standardtests der Mikroelektronik stellt dem Designer solcher Packages oder Module nun Werte im anwendungsrelevanten Temperaturbereich für Simulation und Design zur Verfügung. Durch die Optimierung der Legierungszusammensetzung, der Diamantqualität und -gehalt sowie der Metallisierung können die Eigenschaften der Diamant-Metall-Verbunde auf die entsprechende Anwendung zugeschnitten werden. Literatur: [1] Zweben, C.: Revolutionary New Thermal Management Materials, Electronics Cooling, Vol. 11, 2005 [2] Tonapi, S.S., Fillion, R.A., Schattenmann, F.J., Cole, H.S., Evans, J.D.: An Overview of Thermal Management for Next Generation Microelectronic Devices, IEEE/SEMI Advance Manufacturing Conference, 2003, 250-254 [3] Bollina, R., Stoiber, M.: Ultra High Conductivity Diamond Composites, Proceedings of Powder Metallurgy, Busan, Korea, 2006 [4] Bollina, R., Landgraf, J., Wagner, H., Wilhelm, R., Knippscheer, S., Tabernig, B.: Performance, Production and Applications of Advanced Metal Diamond Composite Heat Spreaders, IMAPS Advanced Technology Workshop on Thermal Management, Palo Alto, Ca, USA, 2006 [5] Bollina, R., Landgraf, J., Wagner, H., Wilhelm, R., Knippscheer, S., Levchuk, S., Mitic, G.: Thermal reliability and Environmental Testing of Advanced Metal Diamond Composites, Proceedings of IPACK2007-ASME InterPACK, Vancouver, BC, July 8-12, 2007.