專利名稱：Cu－W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體器件封裝的熱沉材料。
背景技術(shù)：
目前，半導(dǎo)體激光器在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中機(jī)載、彈載半導(dǎo)體激光器主要用于雷達(dá)、測(cè)距、引信、制導(dǎo)跟蹤、瞄準(zhǔn)和告警、攔截等。大功率半導(dǎo)體激光器功率的提高，半導(dǎo)體器件的超微型化，使其功耗密度越來(lái)越高，散熱問(wèn)題越來(lái)越突出。這樣對(duì)封裝用的熱沉材料的性能和可靠性等提出了更高的要求。大功率半導(dǎo)體激光器中用作承載半導(dǎo)體GaAs管芯并擔(dān)負(fù)散熱任務(wù)的熱沉是一種關(guān)鍵部件，每條熱沉上須承載60W以上的功率，脈沖寬度100～400μs，重復(fù)頻率為10～100Hz，工作時(shí)熱負(fù)荷大。半導(dǎo)體管芯通過(guò)焊料(如PbSn焊料)封裝在熱沉片上，器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱，正常情況下這些熱量應(yīng)通過(guò)熱沉片散發(fā)出去，但如果熱沉材料性能差，如導(dǎo)熱率低，熱量不能及時(shí)散發(fā)出去就會(huì)引起熱量積聚、溫度升高，以至燒壞管芯；而當(dāng)熱沉材料與半導(dǎo)體管芯的熱膨脹系數(shù)匹配不好時(shí)，則會(huì)由于熱的作用將引起材料的變形使器件失效。因此熱沉材料不僅要求具有好的導(dǎo)熱性能，而且還要具有與Si、GaAs等半導(dǎo)體材料接近的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)還必須具有足夠的強(qiáng)度、良好的加工性、輕重量和低成本等特性。傳統(tǒng)的Cu、Al材料有良好的導(dǎo)熱性能，但它們的高熱膨脹系數(shù)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力，降低了大功率半導(dǎo)體激光器的可靠性和壽命，純W、Mo材料的熱膨脹系數(shù)小，但導(dǎo)熱性能較差，不能滿足散熱要求；近年開(kāi)發(fā)使用的鎢(鉬)銅復(fù)合材料兼具銅的高導(dǎo)熱率和鎢(鉬)的低膨脹系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了與半導(dǎo)體硅、砷化鎵及陶瓷氧化鋁、氧化鈹?shù)牧己闷ヅ浞饨?，是目前在大?guī)模集成電路和功率器件中應(yīng)用最廣泛的熱沉材料之一，但其熱導(dǎo)率只有無(wú)氧銅的一半左右，如W85Cu15合金的熱導(dǎo)率為160～190W/m·K(無(wú)氧銅為398W/m·K)，它們用于一般功率器件是完全可以的，但卻難以解決軍用大功率器件更高的集成度和更快的運(yùn)行速度所引起的更嚴(yán)重的散熱問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉，它是在無(wú)氧銅襯底上沉積一定厚度的Cu-W薄膜而構(gòu)成一種復(fù)合型結(jié)構(gòu)，用與GaAs芯片熱膨脹匹配的Cu-W膜將半導(dǎo)體芯片膜與高膨脹的無(wú)氧銅隔離，避免無(wú)氧銅產(chǎn)生熱膨脹時(shí)直接拉傷半導(dǎo)體芯片，同時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率比塊體鎢銅復(fù)合材料高，以滿足半導(dǎo)體激光器功率不斷提高的需要，防止半導(dǎo)體激光器工作時(shí)因熱量積聚燒壞芯片，從而提高半導(dǎo)體激光器壽命。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，所述Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉包括無(wú)氧銅基體，其技術(shù)特征是，在該無(wú)氧銅基體上沉積一層Cu-W合金薄膜。
以下對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1、圖2，本發(fā)明所述Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉包括無(wú)氧銅基體1，其技術(shù)特征是，在該無(wú)氧銅基體上沉積一層Cu-W合金薄膜2。
所述Cu-W合金薄膜2的厚度S可以是8μm-15μm，且該薄膜成份為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，其余為W。
本發(fā)明的Cu-W薄膜涂層復(fù)合熱沉用于半導(dǎo)體器件封裝，特別是大功率半導(dǎo)體激光器的封裝，主要承載半導(dǎo)體芯片，起散熱作用。實(shí)際使用時(shí)，半導(dǎo)體芯片焊接在Cu-W薄膜表面，無(wú)氧銅襯底焊接或粘接在管殼上；Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉外形尺寸滿足用戶要求，其外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以是圖1、圖2所示。
復(fù)合熱沉要求Cu-W薄膜涂層熱膨脹系數(shù)為(6.0～7.5)×10-6K-1，相應(yīng)的Cu-W薄膜的成份范圍為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)制；薄膜厚度為8～15μm，這時(shí)復(fù)合熱沉的熱導(dǎo)率均≥200W/mK。
實(shí)施本工藝所用設(shè)備為多功能離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備，所采用一種實(shí)施例的通用工藝路線如圖3所示；其中Cu-W薄膜沉積工藝采用雙靶磁控濺射聚焦共沉積技術(shù)制備Cu-W薄膜，工藝原理如圖4，薄膜成份通過(guò)調(diào)整Cu靶和W靶的濺射功率來(lái)控制，一般地，Cu靶和W靶的濺射功率比為1∶3至1∶4，當(dāng)濺射功率(絕對(duì)值)較大時(shí)，取小功率比(即向1∶4方向取值)，當(dāng)濺射功率(絕對(duì)值)較小時(shí)，取大功率比(即向1∶3方向取值)。為了保證Cu-W薄膜在Cu襯底的粘附牢固，最好在磁控濺射沉積Cu-W薄膜前采用離子束輔助轟擊鎢粒子注入技術(shù)進(jìn)行界面處理。
本發(fā)明所成薄膜中，Cu和W的成份可采用掃描電鏡X射線能譜方法測(cè)量，具體測(cè)試方法可參照GB/T 17359一1998《電子探針和掃描電鏡X射線能譜定量分析方法通則》執(zhí)行。圖5是測(cè)得含Cu約15％wt的Cu-W薄膜能譜圖，從該圖可以看出，只有Cu和W的特征峰，從而充分表明沉積的薄膜為Cu-W薄膜。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的綜合比較如下表

本發(fā)明的Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉與無(wú)氧銅熱沉相比，由于Cu-W薄膜與半導(dǎo)體芯片熱膨脹匹配，它在半導(dǎo)體芯片與無(wú)氧銅間可起隔離緩沖作用，避免無(wú)氧銅產(chǎn)生熱膨脹時(shí)直接拉傷半導(dǎo)體芯片；它與塊體鎢銅復(fù)合材料相比，由于Cu-W薄膜涂層復(fù)合熱沉是在無(wú)氧銅襯底上沉積一層10微米左右的Cu-W薄膜構(gòu)成，其整體熱導(dǎo)率可大大高于塊體鎢銅復(fù)合材料，這樣可以防止半導(dǎo)體激光器工作時(shí)因熱量積聚燒壞芯片，并滿足半導(dǎo)體激光器功率不斷提高的需要。
由以上可知，本發(fā)明為一種Cu-W薄膜涂層復(fù)合熱沉，它具有熱膨脹與半導(dǎo)體芯片匹配、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良特性，可以避免無(wú)氧銅產(chǎn)生熱膨脹時(shí)直接拉傷半導(dǎo)體芯片，同時(shí)防止半導(dǎo)體激光器工作時(shí)因熱量積聚燒壞芯片，能滿足大功率半導(dǎo)體激光器封裝的需要，大大了提高半導(dǎo)體激光器壽命。


圖1是一種實(shí)施例的熱沉片外形結(jié)構(gòu)示意圖(其中L為片的長(zhǎng)度，S為薄膜厚度)；圖2是圖1所示構(gòu)件的左視結(jié)構(gòu)(其中W和H分別為片的寬和高)；圖3是本發(fā)明的一種實(shí)施例通用工藝路線原理圖；圖4是雙靶磁控濺射聚焦共沉積原理圖；圖5是銅鎢(Cu-W)薄膜能譜圖。
在圖中1-無(wú)氧銅基體，2-Cu-W合金薄膜，3-銅靶，4-鎢靶。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1制作CW048型Cu-W薄膜涂層復(fù)合熱沉，Cu含量9.45％wt；采用離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜工藝在無(wú)氧銅襯底上沉積Cu-W薄膜制作復(fù)合熱沉，測(cè)試其主要性能為(1)產(chǎn)品外形尺寸為11.3mm×3.0mm×0.48mm；(2)復(fù)合熱沉熱導(dǎo)率328.8W/m·k；(3)Cu-W薄膜涂層熱膨脹系數(shù)6.22×10-6/℃；(4)Cu-W薄膜涂層厚度9.2μm；(5)熱沉片表面平整光亮；(6)薄膜涂層結(jié)合強(qiáng)度高，經(jīng)受-10℃～55℃熱循環(huán)試驗(yàn)20次，未發(fā)生分層剝落。
使用樣品燒結(jié)封裝激光器芯片GaAs，進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，樣品用于大功率半導(dǎo)體激光器單bar的散熱，樣品出光功率為60W-65W。試驗(yàn)表明，樣品克服了使用無(wú)氧銅熱沉?xí)r熱膨脹系數(shù)大和鎢銅熱沉導(dǎo)熱性能差的缺點(diǎn)，提高了大功率半導(dǎo)體激光器的使用壽命和器件的穩(wěn)定性。
實(shí)施例2制作CW028型Cu-W薄膜涂層復(fù)合熱沉，Cu含量10.20％wt；采用離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜工藝在無(wú)氧銅襯底上沉積Cu-W薄膜制作復(fù)合熱沉，測(cè)試其主要性能為1.產(chǎn)品外形尺寸為11.3mm×3.0mm×0.29mm；2.復(fù)合熱沉熱導(dǎo)率369.6W/m·k；
3.Cu-W薄膜涂層熱膨脹系數(shù)6.34×10-6/℃；4.Cu-W薄膜涂層厚度9.4μm；5.熱沉片表面平整光亮；6.薄膜涂層結(jié)合強(qiáng)度高，經(jīng)受-10℃～55℃熱循環(huán)試驗(yàn)20次，未發(fā)生分層剝落。
權(quán)利要求
1.一種Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉，包括無(wú)氧銅基體1，其技術(shù)特征是，在該無(wú)氧銅基體1上沉積一層Cu-W合金薄膜2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉，其特征是，所述Cu-W合金薄膜2的厚度S為8μm-15μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述Cu-W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉，其特征是，所述Cu-W合金薄膜2成份為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，其余為W。
全文摘要
一種Cu－W薄膜涂層集成復(fù)合熱沉，包括無(wú)氧銅基體1，其上沉積有一層Cu－W合金薄膜2。所述Cu－W合金薄膜2的厚度為8μm－15μm，薄膜成份為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，其余為W。本發(fā)明產(chǎn)品具有熱膨脹與半導(dǎo)體芯片匹配、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良特性，可以避免無(wú)氧銅產(chǎn)生熱膨脹時(shí)直接拉傷半導(dǎo)體芯片，同時(shí)防止半導(dǎo)體激光器工作時(shí)因熱量積聚燒壞芯片，能滿足大功率半導(dǎo)體激光器封裝的需要，大大提高了半導(dǎo)體激光器壽命。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1845317SQ200610031439
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者周靈平, 彭坤, 李德意, 李紹祿, 門(mén)海泉 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)