專利名稱：層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子封裝使用金屬基平面層狀復(fù)合型電子封裝材料，包括銅/鎢銅/銅(C/W/C)，銅/鑰銅/銅(C/P/C)金屬復(fù)合熱沉材料導(dǎo)熱性能的改進。
背景技術(shù)：
Cu/MoCu/Cu復(fù)合層板(簡稱CPC)和Cu/Mo/Cu復(fù)合層板(簡稱CMC)，因具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù)，并能與BeO、A1203陶瓷匹配，是目前大功率電子元器件首選電子封裝材料。此類材料由兩面相對高導(dǎo)熱的銅、中間低導(dǎo)熱的鑰層材料(鑰或鑰銅合金)，經(jīng)熱軋復(fù)合(例如如中國專利CN1843691、CN1850436)、爆炸成形等方法制得的平面疊層結(jié)構(gòu)。作為封裝材料主要散熱方式，依靠縱向(厚度方向)傳導(dǎo)散熱，將承載其上的芯片等電子器件熱量導(dǎo)出散熱，即芯片將熱量傳導(dǎo)給封裝在里層的銅層，經(jīng)縱向熱傳導(dǎo)，最后通過封裝在外層銅層向外散熱。然而由于中間層為低導(dǎo)熱層，所以其縱向傳導(dǎo)散熱效果不夠理想，不能將熱量快速帶出，從而限制了作為更大功率密度芯片封裝使用。有研究表明如果熱導(dǎo)率提高10%，芯片功率密度可以提高10%，如果能提高其散熱性能，則可以實現(xiàn)器件的小型化和高功率。其次，疊層式復(fù)合結(jié)構(gòu)，界面結(jié)合強度有限，而使用過程中基板要經(jīng)常承受熱應(yīng)力循環(huán)，銅和鑰的熱膨脹系數(shù)不同(銅的熱膨脹系數(shù)約為鑰的三倍)，在受熱或降溫時，銅鑰沿復(fù)合界·面方向伸長或收縮不同，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力達到一定程度時，就會在結(jié)合界面上產(chǎn)生微裂紋，或者鼓泡，嚴(yán)重時使得界面大規(guī)模分離，使用壽命縮短，甚至導(dǎo)致復(fù)合熱沉材料失效。同時還存在上下銅層厚度不均勻，當(dāng)誤差超過O. 05_后，由于兩層銅的厚度不一致，和陶瓷框釬焊后產(chǎn)生應(yīng)力，造成熱沉材料變形彎曲。上述不足仍有值得改進的地方。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種縱向?qū)嵝阅芨?，并能有效延長使用壽命的層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料。本發(fā)明另一目的在于提供一種上述層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料制備方法。本發(fā)明第一目的實現(xiàn)，主要改進是在層疊結(jié)構(gòu)是在高溫熔滲時一次完成，中間層材料(鎢銅或鑰銅合金)與兩面復(fù)合銅層實際是一個整體，接觸良好中間沒有氣孔等影響導(dǎo)熱率的不利因素，加速了一側(cè)銅基板熱量向另一側(cè)銅基板的縱向傳導(dǎo)，從而提高了復(fù)合層板縱向熱傳導(dǎo)能力，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)本發(fā)明目的。具體說，層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料，包括銅-鑰銅或鎢銅-銅三層復(fù)合，其特征在于通過熔滲和銅復(fù)合一次完成，實現(xiàn)中間層鑰銅或鎢銅中所含銅成分與兩表面銅層熔為一體，所述熱沉材料線膨脹系數(shù)為6-10 ppm/°C。這樣，三層之間沒有影響導(dǎo)熱率的不利因素存在，既提高了疊層間結(jié)合牢度，又有利于熱的縱向傳導(dǎo)，視三層厚度比不同而異，熱導(dǎo)率(TC)至少增加10%及以上。中間層材料(鎢銅或鑰銅合金)與兩面復(fù)合的銅層實際是一個整體，接觸良好，中間沒有氣孔等影響導(dǎo)熱率的不利因素，加速了一側(cè)銅基板熱量向另一側(cè)銅基板的縱向傳導(dǎo)，從而提高了復(fù)合層板縱向熱傳導(dǎo)能力，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)本發(fā)明目的。本發(fā)明層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料制備，其特征在于層疊結(jié)構(gòu)是在高溫熔滲時一次完成，即熔滲和銅復(fù)合一次完成，中間層材料鎢銅或鑰銅合金中所含銅與兩面的復(fù)合銅層熔為一整體，完成熔滲/層疊復(fù)合后，經(jīng)機械加工成最終產(chǎn)品。本發(fā)明方法中，利用熔滲過程殘留的銅層，并控制其厚度大于O.1mm,以實現(xiàn)層疊結(jié)構(gòu)的上下表面層，提升熱沉材料的熱導(dǎo)率和材料利用率，以及使用壽命。。除在熔滲過程中保留和控制層疊結(jié)構(gòu)中銅層厚度，以實現(xiàn)層疊結(jié)構(gòu)的上下表面層，其余方法步驟與現(xiàn)有技術(shù)鎢銅(鑰銅)合金熔滲工藝基本相同，熔滲-復(fù)合采用工裝夾具完成。當(dāng)然本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解到，除熔滲復(fù)合方法外，還可以采用其他方式，例如擴散焊接復(fù)合。本發(fā)明層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料，相對于現(xiàn)有技術(shù)，由于中間層材料(鎢銅或鑰銅合金)與兩面復(fù)合銅層實際是一個整體，不僅降低了材料的熱阻，顯著提高了其縱向熱傳導(dǎo)性能，以CPC厚度比1:1 :1為例，縱向熱導(dǎo)率由原來的250W/M.K左右，提高到300W/M.K左右(三者厚度比不同，改善熱傳導(dǎo)也不同)，提高了 20%，因 而可以增加20%功率密度，或者縮小體積20%;而且疊層間不存在界面，也顯著增加了復(fù)合界面的結(jié)合強度，并且由于熱傳導(dǎo)性能的改善，顯著降低了銅鑰界面間拉應(yīng)力，經(jīng)熱循環(huán)試驗，抗層間分離能力顯著提高，抗剝離力提高30%，從而有效延長了 CPC材料的使用壽命，同時提高鎢粉鑰粉的使用率，降低成本。本發(fā)明制備方法層疊結(jié)構(gòu)是在高溫熔滲時一次完成，中間層材料(鎢銅或鑰銅合金)與兩面復(fù)合銅層實際是一個整體，而且有利于提高復(fù)合界面結(jié)合力，同時此法也簡化了制備過程，傳統(tǒng)CPC材料制備流程混料-坯體成型-排膠-熔滲-機械加工-軋制-覆銅-多次軋制-機械加工成品等過程。本發(fā)明制備相同材料時，制備流程混料-坯體成型-排膠-熔滲/復(fù)合-機械加工熱沉材料，具有熱耗散能力強，制作簡便、適于工業(yè)化生產(chǎn)，且大量降低成本。以1:4:1，Imm厚度銅-鎢銅-銅產(chǎn)品為例，與傳統(tǒng)制備方法比較，鎢粉(鑰粉)利用率提高40%以上，導(dǎo)熱率提高20%以上。以下結(jié)合一個優(yōu)化具體實施例，示例性說明及幫助進一步理解本發(fā)明，但實施例具體細節(jié)僅是為了說明本發(fā)明，并不代表本發(fā)明構(gòu)思下全部技術(shù)方案，因此不應(yīng)理解為對本發(fā)明總的技術(shù)方案限定，一些在技術(shù)人員看來，不偏離本發(fā)明構(gòu)思的非實質(zhì)性增加和/或改動，例如以具有相同或相似技術(shù)效果的技術(shù)特征簡單改變或替換，均屬本發(fā)明保護范圍。
具體實施例方式實施例層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料，包括銅-鑰銅或鎢銅-銅三層復(fù)合，通過熔滲和銅復(fù)合一次完成實現(xiàn)中間層鑰銅或鎢銅中所含銅成分與兩表面銅層熔為一體，熔滲-復(fù)合采用工裝夾具完成，利用熔滲過程殘留的銅層，并控制其厚度大于O. 1mm，實現(xiàn)層疊結(jié)構(gòu)的上下表面層，完成熔滲/層疊復(fù)合后，經(jīng)機械加工成最終產(chǎn)品。成品基板的銅/鎢銅或鑰銅/銅厚度配比為1:1 :1 1: 6 1(客戶需要)，經(jīng)本發(fā)明制備的成品，線膨脹系數(shù)(CTE)為6-10 ppm/°C，熱導(dǎo)率(TC>250，氣密性1*10-9
O以銅-鑰銅-銅(CPC)比例為1:4 1為例常規(guī)CPC材料，平面方向的熱導(dǎo)率在200W/ M · K，Z軸(厚度)方向熱導(dǎo)率在110 W/M· K;本發(fā)明方法制備的CWC材料，平面方向熱導(dǎo)率在260 W/M · K左右，Z軸方向熱導(dǎo)率在180W/M · K左右。比較例同樣上述銅/鑰/銅厚度配比為1:1 :1 1: 6 :1的成品基板，線膨脹系數(shù)(CTE)為6-10 ppm/。。，熱導(dǎo)率(TC) 200。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在本專利構(gòu)思及具體實施例啟示下，能夠從本專利公開內(nèi)容及常識直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的一些變形，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識到也可采用其他方法，或現(xiàn)有技術(shù)中常用公知技術(shù)的替代，以及特征間的相互不同組合，例如將熔滲/復(fù)合改為擴散焊接，等等的非實質(zhì)性改動，同樣可以被應(yīng)用，都能實現(xiàn)與上述實施例基本相同功能和效果，不再一一舉例展開細說，均屬于本專利保護范圍。
權(quán)利要求
1.層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料，包括銅-鑰銅或鎢銅-銅三層復(fù)合，其特征在于通過熔滲和銅復(fù)合一次完成，實現(xiàn)中間層鑰銅或鎢銅中所含銅成分與兩表面銅層熔為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料，其特征在于熱沉材料線膨脹系數(shù)為6-10ppm/。。ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料的制備方法，其特征在于層疊結(jié)構(gòu)是在高溫熔滲時一次完成，即熔滲和銅復(fù)合一次完成，中間層材料鎢銅或鑰銅合金中所含銅與兩面的復(fù)合銅層熔為一整體，完成熔滲/層疊復(fù)合后，經(jīng)機械加工成最終產(chǎn)品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于熔滲過程殘留的銅層厚度大于O.1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述銅層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料，其特征在于熔滲-復(fù)合采用工裝夾具完成。
全文摘要
層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料，涉及一種微電子封裝使用金屬基平面層狀復(fù)合型電子封裝材料，包括銅-鉬銅或鎢銅-銅三層復(fù)合，通過熔滲和銅復(fù)合一次完成，實現(xiàn)中間層鉬銅或鎢銅中所含銅成分與兩表面銅層熔為一體，有利于提高復(fù)合界面結(jié)合力，同時也簡化了制備過程。
文檔編號B22F7/02GK103057202SQ201310001249
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者況秀猛, 張遠, 朱德軍 申請人:江蘇鼎啟科技有限公司