DE69029059T2 - Substrat aus Verbundwerkstoff - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Substrat aus einem anorganischen Verbundwerkstoff von besonders hoher Steifigkeit wie in den Ansprüchen definiert, der sich für viele Anwendungen wie z.B. elektronische oder strukturelle Materialien eignet.
• EP-A-0 088 992 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines zusammenhängenden dichten Körpers aus einem leicht magnetischen Material auf Eisenbasis, das aus ungefähr reinem Eisen besteht oder Silicium, Aluminium und/oder Titan enthält. In US-A-3 926 567 ist eine Cermetzusammensetzung beschrieben, die Niob oder dessen Legierungen mit einer kleinen Menge Zirconium, Aluminium, Yttrium oder andere Metalle wie Cobalt oder Eisen und ein Keramikoxid aus Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid oder deren Mischungen enthält. Ein dielektrisches Keramikmaterial, das aus Oxiden vom Perovskit-Typ, Wolfram-Bronze-Typ, Pyrochlor-Typ oder lamellaren Oxiden und anderen aus beispielsweise Mg, Nb, La und anderen ausgewählten Oxiden besteht, ist in EP-A-0 270 099 offenbart.
• Als Substrate für elektronische Komponenten, z.B. IC- Substrate oder Magnetkopfsubstrate, oder als strukturelle Materialien in verschiedenen industriellen Bereichen verwendet man verschiedene Substrate aus Materialien, die über die für ihre jeweiligen Anwendungen erwünschten Eigenschaften verfügen. Beispielsweise sind Materialien wie Harz-Keramik- und Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe als Substrate für elektronische Schaltkreise bekannt. Jedoch haben Substrate aus den erwähnten Harz-Keramik-Verbundwerkstoffen den Nachteil, daß sie nur über geringe Steifigkeit verfügen. Die Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe haben beispielsweise die Form von Metallteilchen, die in einer Keramikbasisschicht dispergiert sind. Dieser Metall-Keramik-Verbundwerkstoff ist verhältnismäßig steif. Jedoch ist in Substraten aus einem solchen Verbundwerkstoff die Menge des Keramikmaterials im Vergleich zu den Metallteilchen sehr groß, so daß man kaum Metalleigenschaften erhält. Darüber hinaus ist der Abstand zwischen den in der Keramikschicht dispergierten Teilchen groß; folglich ist die mechanische Festigkeit solcher Substrate gering.
• Materialien wie Verbundwerkstoffe aus Titan-Magnesium- Nickeloxid werden verbreitet als Magnetkopfsubstrate eingesetzt. Jedoch ist der Grad des Verschleißes während des Gebrauchs unterschiedlich für Titan-, Magnesium- und Nickeloxid, so daß in der Folge winzige Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Substrats auftreten. Darüber hinaus ist ein ungewähnlich niedriger Widerstand ein weiterer Nachteil dieses Typs von Verbundwerkstoff. Materialien zur Verwendung als Magnetkopfsubstrate sollten wünschenswerterweise über eine gute Verschleißfestigkeit und die entsprechende Kompatibilität (wie z.B. die Kompatibilität des Ausdehnungskoeffizienten) mit den Legierungen verfügen, aus denen sich die Magnetköpfe zusammensetzen.
• Derzeit gilt eine hohe Wärmeleitfähigkeit als wünschenswerte Eigenschaft in IC-Substraten, die hauptsächlich aus Aluminium bestehen, während Hitzebeständigkeit, gute elektrische Isolierungseigenschaften und hohe Wärmeleitfähigkeit in hauptsächlich aus einem Harz hergestellten IC-Substraten gefragt sind.
• Beispielsweise sollten Materialien für Magnetkopf- und IC-Substrate wünschenswerterweise über die besonderen Eigenschaften verfügen, die eine gute Bearbeitbarkeit und hohe mechanische Festigkeit mit guten elektrischen Isolierungseigenschaften vereinen.
• Das Substrat aus einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff, das die vorstehend erörterten Nachteile und zahlreiche andere Nachteile und Mängel des Standes der Technik überwindet, umfaßt eine diskrete Phase mit aus einer ersten Substanz hergestellten Körnern und eine kontinuierliche Phase mit einem dünnen Beschichtungsfilm aus einer zweiten Substanz, der auf der Oberfläche der Körner ausgebildet ist, und ist gemäß Anspruch 1 definiert.
• In den Ausführungsformen ist die vorstehend erwähnte erste Substanz Al oder eine Al enthaltende Legierung, und die vorstehend erwähnte zweite Substanz ist eine dielektrische Substanz aus Aluminiumnitrid.
• In einer bevorzugten Ausführungsform haben die aus der ersten Substanz hergestellten Körner eine flache Form.
• Somit löst die hier beschriebene Erfindung folgende Aufgaben:
• (1) Sie stellt ein Substrat aus zwei oder mehr Substanzen zur Verfügung, das über die wünschenswerten Eigenschaften beider Substanzen verfügt und darüber hinaus hohe mechanische Festigkeit und hohe Steifigkeit aufweist.
• (2) Sie stellt ein Verbundsubstrat aus Metall und dielektrischen Materialien zur Verfügung, das neben einem guten elektrischen Widerstand die erwähnten überlegenen Eigenschaften sowie die mechanische Festigkeit und Bearbeitbarkeitseigenschaften von Metallen aufweist.
• Diese Erfindung wird anhand der Begleitzeichnungen für Fachleute leichter verständlich und ihre verschiedenen Aufgaben und Vorteile offenkundig.
• Fig. 1 und 2 sind vergrößerte Querschnittsteilansichten des erfindungsgemäßen Substrats aus einem Verbundwerkstoff.
• Ein erfindungsgemäßes Substrat wird aus einem Verbundmaterial hergestellt, das eine diskrete Phase mit aus einer ersten Substanz hergestellten Körnern und eine kontinuierliche Phase mit einem dünnen Beschichtungsfilm, der aus einer zweiten Substanz besteht und auf der Oberfläche der Körner ausgebildet ist, gemäß Anspruch 1 aufweist. Die Körner sind durch den dünnen Beschichtungsfilm im wesentlichen voneinander getrennt. Die erste und zweite Substanz können aus Aluminium und einem dielektrischen Material wie Aluminiumnitrid ausgewählt werden. Man erhält dann einen Verbundwerkstoff mit den Eigenschaften dieser beiden Substanzen.
• Bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe werden zuerst Teilchen beschichtet, indem man einen Film aus der erwähnten zweiten Substanz auf der Oberfläche der Teilchen aus der ersten Substanz ausbildet. Dann werden diese beschichteten Teilchen erst gepreßt und dann einer Verdichtungsbehandlung unterzogen. Zur Herstellung des Films aus der zweiten Substanz können alle bekannten Verfahren verwendet werden. Beispielsweise setzt man folgende Verfahren ein: Beim ersten Verfahren läßt man Teilchen aus der ersten Substanz in Kontakt mit einem aktiven Gas kommen. Dadurch reagiert das aktive Gas auf der Oberfläche der Teilchen mit der ersten Substanz und bildet so eine Schicht aus einer Substanz, die sich von der ursprünglichen ersten Substanz auf der Teilchenoberfläche unterscheidet. Im zweiten Fall bedient man sich eines Vakuumzerstäubungsverfahrens, um eine Schicht aus der zweiten Substanz auf der Oberfläche der Teilchen aus der ersten Substanz auszubilden. Beim ersten Verfahren verwendet man ein mechanisches Legierungsverfahren, um eine Schicht aus der zweiten Substanz auf der Teilchenoberfläche abzuscheiden. Die Schicht aus der zweiten Substanz sollte dünner als die mittlere Korngröße der Teilchen aus der ersten Substanz sein. Die geeigneten Größen der Teilchen und des Films schwanken je nach dem jeweiligen Verwendungszweck und Substrattyp. Normalerweise beträgt der Bereich der Korngrößen 5 bis 100 µm und die Filmdicke 5 bis 50 nm. Beispiele für die Ausbildung des Films umfassen auch die Ausbildung metallischer Nitridfilme auf der Oberfläche der Metallteilchen durch Nitrierungsbehandlung sowie das Abscheiden von Metallen auf die Oberflächen von Teilchen aus einem anderen Metall durch Vakuumzerstäubung.
• Als nächstes werden die auf diese Weise beschichteten Teilchen gepreßt und einer Verdichtungsbehandlung unterzogen, um schließlich das Substrat aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff zu erhalten. Im allgemeinen kann man die Verdichtung durch Hochtemperatur und Hochdruckbehandlung erreichen. Üblicherweise erfolgt die Verdichtung durch Behandlung bei einer Temperatur von 300ºC oder höher und einem Druck von 98,0665 bar (100 kg/cm²).
• In diesem Verdichtungsverfahren kann in vielen Fällen ein Teil der Filme auf den beschichteten Teilchen durch das Preßverfahren beschädigt werden, so daß die aus der ersten Substanz bestehenden Teilchen freiliegen. Daher führt man die Verdichtung normalerweise so durch, daß sich erneut ein Deckfilm aus der zweiten oder einer dritten Substanz, die sich von der ersten und der zweiten Substanz unterscheidet, bildet. Wenn die Verdichtung zum Beispiel in einer aktiven Gasatmosphäre durchgeführt wird, reagiert die erste Substanz auf den freiliegenden Oberflächen mit dem aktiven Gas und bildet dadurch einen weiteren Film. Als aktives Gas kann man beispielsweise Stickstoff verwenden.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht dieser Verbundwerkstoff aus Teilchen aus der ersten Substanz 1 (Aluminiumteilchen), die durch eine kontinuierliche Phase aus einem Film aus der zweiten Substanz 2 (Aluminiumnitrid) getrennt sind.
• Ein Verbundwerkstoff mit einer in Fig. 2 gezeigten Morphologie, der flache Teilchen 11 und eine kontinuierliche Phase 12 aus der zweiten Substanz enthält, kann dadurch hergestellt werden, daß man während des Verdichtungsverfahrens im Laufe der Herstellung des Verbundwerkstoffs nur in eine Richtung einen stärkeren Druck aufbringt. Man kann für die Herstellung des Verbundwerkstoffs auch von Anfang an flache Teilchen verwenden. Solche Verbundwerkstoffe weisen entlang der Richtung der Längsachse der Teilchen eine besonders große Härte und überlegene Verschleißbeständigkeit auf. Im Querschnitt beider Verbundwerkstoffe ist der durch dreieckige Bereiche (d.h. Bereiche, an die drei oder mehr Teilchen grenzen) belegte Bereich, der in Fig. 1 und 2 mit den Bezugszahlen 3 bzw. 13 bezeichnet ist, im Vergleich mit herkömmlichen Verbundwerkstofftypen sehr klein. Deshalb verfügen Substrate aus diesem Verbundwerkstoff über eine überlegene mechanische Festigkeit. Die Porosität der erfindungsgemäßen Substrate sollte normalerweise 5 % oder weniger (d.h. eine Dichte von 95 % oder mehr) und vorzugsweise 3 % oder weniger betragen. Wenn die Porosität 5 % oder weniger beträgt, schließen sich die vorhandenen Poren, und das Innere der Verbundstruktur steht nicht in Verbindung mit dem Äußeren. Daher verfügt der Verbundwerkstoff über eine hohe mechanische Festigkeit sowie überlegene Beständigkeit gegen Wettereinflüsse und Chemikalien. Auf diese Weise hergestellte Substrate aus Verbundwerkstoffen verfügen über eine synergistische Kombination der Eigenschaften der ersten und zweiten Substanz. Wenn beispielsweise die erste Substanz ein Metall und die zweite Substanz ein Metallnitrid ist, dann verfügt der Verbundwerkstoff sowohl über metallische als auch dielektrische Eigenschaften. Beispielsweise wird ein Substrat aus einem Verbundwerkstoff zur Verfügung gestellt, in dem Metall in einer Menge von 99,9 % (bezogen auf das Gesamtgewicht des Substrats aus dem Verbundwerkstoff) enthalten ist, das jedoch gleichzeitig über elektrische Isolierungseigenschaften verfügt.
Beispiele Beispiel 1
• Aluminiumpulver aus nahezu kugelförmigen Teilchen der mittleren Korngröße 15 µm und Teilchen aus Titanmonohydrid (mittlerer Teilchendurchmesser 15 um) wurden 80 Stunden in einer Kugelmühle vermischt, um die Oberfläche des Aluminiumpulvers zu modifizieren. Nach dieser Behandlung wurde das Pulver in einer Stickstoffatmosphäre bei 550ºC erhitzt und die Oberfläche dadurch nitriert. Dann wurde dieses Material zu Platten geformt und bei 400ºC unter einem Druck von 490,33 bar (500 atm) einer Heißpreßbehandlung (Drucksintern) unterzogen. Dadurch erhielt man ein anorganisches Substrat von hoher Steifigkeit und einer Härte, die ungefähr das 1,5-fache des Substrats betrug, das man bei Verwendung von Aluminiumpulver erhielt. Der elektrische Widerstand betrug 20 MΩ.
• Die auf diese Weise hergestellten Substrate wiesen eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, die der von Aluminium nahe kam, und sind daher ausgezeichnet für die Verwendung in Heizelementen geeignet. Wegen dieser überlegenen Wärmeleitfähigkeit eignen sich diese Substrate auch zur Verwendung als IC-Substrate. Außerdem ist im Gegensatz zu normalem Aluminium die elektrische Isolierungsleistung dieses Materials sehr hoch. Darüber hinaus kann dieses Material ausgezeichnete Substrate zur Verfügung stellen, die sich sehr gut für gedruckte Schaltkreise eignen, und weist außerdem eine Wärmebeständigkeit und Steifigkeit auf, die für Metalle charakteristisch sind. In Fällen, wo der Abstand zwischen den Verdrahtungen nahe der Korngröße der Aluminiumteilchen liegt (d.h. 15 µm) ist die Verwendung von Teilchen mit einer noch kleineren Korngröße (d.h. kleiner als 15 µm) oder die Verarbeitung zur Herstellung abgeflachter Teilchen ein angemessener Weg bei der Herstellung von IC-Substraten.

Claims (3)

1. Substrat aus einem Verbundwerkstoff, umfassend

eine diskrete Phase mit aus einer ersten Substanz hergestellten Körnern und

eine kontinuierliche Phase mit einem anorganischen dünnen Beschichtungsf ilm von 5 bis 50 nm Dicke, der aus einer zweiten Substanz hergestellt und auf der Oberfläche der Körner ausgebildet ist, wobei der anorganische dünne Beschichtungsfilm eine geringere mittlere Dicke als der mittlere Teilchendurchmesser der Körner, welcher etwa 5 bis etwa 100 µm beträgt, aufweist

wobei die Körner durch den anorganischen dünnen Beschichtungsfilm voneinander getrennt sind und die Porosität des Verbundwerkstoffs 5 % oder weniger beträgt und wobei die erste Substanz aus der aus Aluminium und Legierungen mit Aluminium bestehenden Gruppe ausgewählt ist und die zweite Substanz ein Dielektrikum von Aluminiumnitrid ist.

2. Substrat aus dem Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dessen Porosität 3 % oder weniger beträgt.

3. Substrat nach Anspruch 1, in dem die aus der ersten Substanz hergestellten Körner eine flache Form aufweisen.