專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合材料及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有低的熱膨脹率和高的導(dǎo)熱率的復(fù)合材料和所述復(fù)合材料的生產(chǎn)方法，而且還涉及所述復(fù)合材料例如在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電力電子學(xué)包括涉及對(duì)電功率和電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和控制的功率電子器件，以通斷模式工作的功率電子器件的技術(shù)，還包括涉及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。
電功率的轉(zhuǎn)換需要各種具有開(kāi)關(guān)特性的功率半導(dǎo)體。實(shí)際使用的這些半導(dǎo)體包括整流二極管(具有一個(gè)只在一個(gè)方向有電流流動(dòng)的pn結(jié))，晶閘管，雙極晶體管，以及MOSFET(具有多個(gè)pn結(jié)的組合)。近來(lái)開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體包括絕緣柵雙極晶體管(IGBF)和響應(yīng)門(mén)信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)的柵控截止晶閘管(GTO)。
這些功率半導(dǎo)體在通電時(shí)會(huì)發(fā)熱。隨著電量和速度的增加，所述半導(dǎo)體的發(fā)熱量會(huì)更大。為了防止所述半導(dǎo)體由于發(fā)熱出現(xiàn)劣化和壽命縮短，所述半導(dǎo)體中應(yīng)安裝有防止其自身及相鄰部位溫度升高的散熱體。通常用作散熱體的材料是銅，其便宜并且導(dǎo)熱率高(393W/m)。不幸的是，銅不適合用于功率半導(dǎo)體器件的散熱體，因?yàn)殂~的熱膨脹率高達(dá)17×10-6/℃，因而，不能與熱膨脹率為4.2×10-6/℃的硅很好地焊在一起。解決該問(wèn)題的一個(gè)方法是采用熱膨脹率與硅相近的鉬或鎢制造散熱體，或者在散熱體和半導(dǎo)體元件間插入鉬或鎢。
功率半導(dǎo)體元件與電子半導(dǎo)體元件不同。后者以由在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上集成形成的電子電路組成的集成電路(IC)為例證。根據(jù)其功能，電子半導(dǎo)體元件被分為存儲(chǔ)元件，邏輯元件，微處理器等。涉及最近的電子半導(dǎo)體元件的問(wèn)題是發(fā)熱，當(dāng)集成程度和運(yùn)行速度增加時(shí)，發(fā)熱量增大。更糟的是，為了防止發(fā)生失效和劣化，電子半導(dǎo)體元件被一個(gè)一個(gè)地單獨(dú)氣密封裝，以便與大氣隔離。廣泛采用的封裝是陶瓷封裝(其中，每個(gè)半導(dǎo)體元件均通過(guò)芯片焊接固定到陶瓷上)和塑料封裝(采用塑料密封)。一個(gè)滿(mǎn)足高可靠性和高速運(yùn)行要求的新進(jìn)展是在單個(gè)襯底上安裝有多個(gè)半導(dǎo)體元件的多片模塊(MCM)。
構(gòu)造塑料封裝件時(shí)，應(yīng)使其中的半導(dǎo)體元件的端子通過(guò)焊接引線與引線框相連接，并且，整個(gè)組件采用塑料密封。為解決不斷增加的發(fā)熱問(wèn)題所取得的最新進(jìn)展是其中的引線框起散熱作用的封裝件或者其中安裝有用于散熱的散熱體的封裝件。引線框或者用于散熱的散熱體通常采用高導(dǎo)熱率的銅制造。不幸的是，可以預(yù)料會(huì)發(fā)生故障，原因是銅與硅的熱膨脹率差別較大。
相反，構(gòu)造陶瓷封裝件時(shí)，半導(dǎo)體元件置于具有印制在其上的布線的陶瓷襯底上，并且，整個(gè)組件采用金屬或者陶瓷罩密封。陶瓷襯底采用起散熱體作用的Cu-Mo或Cu-W復(fù)合材料或者可伐合金作里襯。要求能夠以低生產(chǎn)成本制造具有低的熱膨脹率，高的熱傳導(dǎo)性和良好的可加工性的陶瓷材料。
MCM包括具有在其上形成薄膜布線的金屬或者陶瓷襯底，多個(gè)在其上固定的半導(dǎo)體元件(以裸片形式)，容納上述元件的陶瓷封裝和密封罩。如果需要散熱，所述封裝件可裝有散熱體或散熱翅片。金屬襯底采用銅或鋁制造。這兩種金屬的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱率好，但缺點(diǎn)是熱膨脹率高，這會(huì)導(dǎo)致與半導(dǎo)體元件的匹配性變差。因此，具有高可靠性的MCM的襯底采用硅或氮化鋁(AlN)制造。與陶瓷封裝件焊接在一起的散熱體應(yīng)采用導(dǎo)熱率高而熱膨脹率低的材料制造，以便與封裝材料實(shí)現(xiàn)良好的匹配。
如上所述，所有的半導(dǎo)體器件在運(yùn)行期間均會(huì)發(fā)熱，而且，如果熱量被累積起來(lái)，還會(huì)出現(xiàn)故障。因此，需要具有良好導(dǎo)熱率以便進(jìn)行散熱的散熱體。與半導(dǎo)體元件直接或者通過(guò)絕緣層間接焊接一起的散熱體不僅應(yīng)具有高的導(dǎo)熱率，而且還應(yīng)具有低的熱膨脹率，以便與半導(dǎo)體元件實(shí)現(xiàn)良好匹配。
主要的半導(dǎo)體元件以Si或者GaAS為基礎(chǔ)，這兩種物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)為分別為2.6×10-6-3.6×10-6/℃和5.7×10-6-6.9×10-6/℃。在熱膨脹率上與這兩種物質(zhì)相當(dāng)?shù)囊阎牧现邪ˋlN，SiC，Mo，W和Cu-W。當(dāng)單獨(dú)用于散熱體時(shí)，上述各種物質(zhì)的傳熱系數(shù)和導(dǎo)熱率不能根據(jù)要求進(jìn)行控制。這些物質(zhì)的可加工性差而且生產(chǎn)成本高。日本專(zhuān)利公開(kāi)平8-78578提出了一種Cu-Mo燒結(jié)合金。日本專(zhuān)利公開(kāi)平9-181220提出了一種Cu-W-Ni燒結(jié)合金。日本專(zhuān)利公開(kāi)平9-209058提出了一種Cu-SiC燒結(jié)合金。日本專(zhuān)利公開(kāi)平9-15773提出了一種Al-SiC復(fù)合材料。這些傳統(tǒng)的復(fù)合材料中如果各構(gòu)成物比例發(fā)生變化，則其傳熱系數(shù)和導(dǎo)熱率可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。然而，上述材料的塑性加工性差，因而難以加工成薄板，而且需要很多的加工步驟。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有低的熱膨脹率、高的導(dǎo)熱率和良好的塑性加工性的復(fù)合材料，提供采用所述復(fù)合材制造的半導(dǎo)體器件，提供用于所述半導(dǎo)體器件的散熱體，提供一種靜電吸引器，以及提供一種用于所述靜電吸引器的介電片。
發(fā)明公開(kāi)本發(fā)明的第一個(gè)方面在于一種由金屬和熱膨脹系數(shù)比所述金屬小的無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成的復(fù)合材料，其特征在于分散所述無(wú)機(jī)粒子時(shí)，應(yīng)使95％或者更多的粒子(用橫截面上的粒子面積的大小表示)形成連接一起的具有復(fù)雜構(gòu)形的聚集體。
本發(fā)明的第二個(gè)方面在于一種由金屬和熱膨脹系數(shù)比所述金屬小的無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成的復(fù)合材料，其特征在于在100μm2的橫截面上單獨(dú)存在的所述無(wú)機(jī)粒子的個(gè)數(shù)小于或等于100，余下的粒子以連接一起的具有復(fù)雜構(gòu)形的聚集體形式分布。
本發(fā)明的第三個(gè)方面在于一種由金屬和熱膨脹系數(shù)比所述金屬小的無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成的復(fù)合材料，其特征在于所述無(wú)機(jī)粒子的維氏硬度小于或等于300。
本發(fā)明的第四個(gè)方面在于一種由金屬和熱膨脹系數(shù)比所述金屬小的無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)在20-105℃的范圍內(nèi)，其增加量，平均為從20℃的值起每W/m·k增加0.025-0.035ppm/℃。
本發(fā)明的第五個(gè)方面在于一種由金屬和熱膨脹系數(shù)比所述金屬小的無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成的復(fù)合材料，其特征在于所述無(wú)機(jī)粒子以連接一起的聚集體的形式分散分布，所述聚集體沿塑性加工方向呈拉長(zhǎng)狀。
本發(fā)明的第六個(gè)方面在于一種由銅和銅的氧化物粒子構(gòu)成的復(fù)合材料，其特征在于分散所述銅的氧化物粒子時(shí)，應(yīng)使95％或者更多的粒子(以橫截面積中粒子的面積數(shù)表示)形成連接一起的具有復(fù)雜構(gòu)形的聚集體。
本發(fā)明的第七個(gè)方面在于一種采用所述復(fù)合材料制造的用于半導(dǎo)體器件的散熱片。
本發(fā)明的第八個(gè)方面在于一種用于半導(dǎo)體器件的其上具有鎳鍍層的散熱片。
本發(fā)明的第九個(gè)方面在于一種包括多個(gè)絕緣襯底和固定在每個(gè)所述絕緣襯底上的多個(gè)半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件，每個(gè)所述絕緣襯底通過(guò)形成于所述絕緣襯底的上下表面的導(dǎo)電層直接連接于所述散熱片。
本發(fā)明的第十個(gè)方面在于一種包括具有散熱片的絕緣襯底和固定在所述絕緣襯底上的半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件，其中，所述散熱片是在本發(fā)明的第七或者第八方面中定義的散熱片。
本發(fā)明的第十一個(gè)方面在于一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括固定在散熱片上的半導(dǎo)體元件，與所述散熱片相連接的引線框，以及以導(dǎo)電方式將所述引線框與所述半導(dǎo)體元件連接起來(lái)的金屬布線；所述半導(dǎo)體元件采用塑料密封，其中，所述散熱片是在本發(fā)明的第七或者第八個(gè)方面中定義的散熱片。
本發(fā)明的第十二個(gè)方面在于一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括固定在散熱片上的半導(dǎo)體元件，與所述散熱片相連接的引線框，以及以導(dǎo)電方式將所述引線框與所述半導(dǎo)體元件連結(jié)起來(lái)的金屬布線；所述半導(dǎo)體元件采用塑料密封，所述散熱片在與所述半導(dǎo)體元件相連的一側(cè)相對(duì)的另一側(cè)是敞開(kāi)的，其中，所述散熱片是在本發(fā)明的第七個(gè)或者第八個(gè)方面中定義的散熱片。
本發(fā)明的第十三個(gè)方面在于一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包含固定在散熱片上的半導(dǎo)體元件，用于與外面的布線相連接的引線，在其中心處存在一敞開(kāi)空間以安放所述半導(dǎo)體元件的陶瓷多層布線襯底，以及以導(dǎo)電方式將所述半導(dǎo)體元件與襯底的端子相連接的金屬布線，所述散熱片與所述襯底相互連接，以便使所述半導(dǎo)體元件固定在所述空間處，所述襯底則連接到密封罩上，從而，將所述半導(dǎo)體元件與大氣環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，其中，所述散熱片是在本發(fā)明的第七或者第八個(gè)方面中定義的散熱片。
本發(fā)明的第十四個(gè)方面在于一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包含固定在散熱片上的半導(dǎo)體元件，用于與外面的布線相連接的端子，在其中心處存在一凹槽以容納所述半導(dǎo)體元件的陶瓷多層布線襯底，以及以導(dǎo)電方式將所述半導(dǎo)體元件與襯底的端子連接一起的金屬布線，所述散熱片與所述襯底的凹槽相互連接，以便使所述半導(dǎo)體元件固定于所述凹槽處，所述襯底連接到密封罩上，從而將所述半導(dǎo)體元件與大氣環(huán)境隔離開(kāi)，其中，所述散熱片是在本發(fā)明的第七個(gè)或第八個(gè)方面中定義的散熱片。
本發(fā)明的第十五個(gè)方面在于一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包含散熱片，通過(guò)導(dǎo)熱樹(shù)脂連接到所述散熱片上的半導(dǎo)體元件，與陶瓷絕緣襯底相連接的引線框，以及以導(dǎo)電方式將所述半導(dǎo)體元件與引線框連接一起的TAB，所述散熱片與所述襯底相互連接，以便使所述半導(dǎo)體元件與大氣環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，而且，所述半導(dǎo)體元件和所述絕緣襯底被插入兩者間的導(dǎo)熱的彈性樹(shù)脂隔離開(kāi)，其中，所述散熱片是在本發(fā)明的第七個(gè)或第八個(gè)方面中定義的散熱片。
本發(fā)明的第十六個(gè)方面在于一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包含第一個(gè)散熱片，通過(guò)金屬與所述散熱片相連接的半導(dǎo)體元件，與接地板相連接的第二個(gè)散熱片，所述第一個(gè)散熱片固定在該散熱片的接地板上，以及以導(dǎo)電方式連接到所述半導(dǎo)體元件的端子的TAB，所述半導(dǎo)體元件采用塑料密封，其中，所述散熱片是在本發(fā)明的第七個(gè)或第八個(gè)方面中定義的散熱片。
本發(fā)明的第十七個(gè)方面在于一種用于靜電吸引器的介電片，所述介電片由在上述的第一至第六個(gè)方面中之任一個(gè)方面定義的復(fù)合材料制備而成。
本發(fā)明的第十八個(gè)方面在于一種靜電吸引器，所述靜電吸引器包含一個(gè)電極層和一個(gè)與所述電極層焊接一起的介電片，當(dāng)在所述電極層上施加電壓時(shí)，所述介電片會(huì)產(chǎn)生靜電吸引力，以使物體固定到所述介電片的表面上，其中，所述介電片是在本發(fā)明的第十七個(gè)方面中定義的介電片。
根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料由金屬和無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成。所述金屬包括Au、Ag、Cu和Al，其中，Cu是最理想的，因?yàn)樗哂懈叩娜埸c(diǎn)和高的強(qiáng)度。所述無(wú)機(jī)粒子應(yīng)優(yōu)選是那些較軟且燒結(jié)后穩(wěn)定，以及在20-150℃的范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)等于或小于5.0×10-6/℃，優(yōu)選等于或小于3.5×10-6/℃，維氏硬度為300或更低的無(wú)機(jī)粒子。(它們與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)粒子，如SiC和Al2O3不同，這兩種物質(zhì)與基體金屬的硬度差別很大)。這種軟的無(wú)機(jī)粒子可使得燒結(jié)后具有良好的塑性加工性(熱加工或者冷加工)?？绍堉菩允沟迷诙痰募庸r(shí)間內(nèi)生產(chǎn)較薄的板材成為可能。所獲得的復(fù)合材料由于無(wú)機(jī)粒子分散分布其中而具有高的強(qiáng)度。所述無(wú)機(jī)粒子的可能的實(shí)例包括銅的氧化物，錫的氧化物，鉛的氧化物以及鎳的氧化物。所述這些實(shí)例中，優(yōu)選銅的氧化物，因其熱膨脹系數(shù)最小。
本發(fā)明的復(fù)合材料應(yīng)該優(yōu)選采用硬且細(xì)小的陶瓷粒子，如SiC和Al2O3進(jìn)行增強(qiáng)，所述陶瓷粒子的維氏硬度等于或高于1000，平均粒子直徑為3μm或更小，其含量為5體積％或更低。
根據(jù)本發(fā)明的散熱片和介電片可以通過(guò)燒結(jié)，任選的軋制以及塑性加工(例如壓制)來(lái)獲得其最終的形狀。
根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料應(yīng)優(yōu)選含有20-80體積％的氧化亞銅(Cu2O)的銅(Cu)合金，其中Cu相和Cu2O相構(gòu)成所述的分散結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合材料應(yīng)優(yōu)選具有5×10-6-14×10-6/℃的熱膨脹系數(shù)，以及在室溫至300℃的范圍內(nèi)，30-325W/m·k的導(dǎo)熱率。
所述銅—氧化亞銅復(fù)合材料應(yīng)優(yōu)選含有20-80體積％的氧化亞銅(Cu2O)，余者為銅(Cu)。Cu2O相和Cu相應(yīng)具有取向結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合材料應(yīng)優(yōu)選具有5×10-6-14×10-6/℃的熱膨脹系數(shù)，以及在室溫至300℃的范圍內(nèi)為30-325W/m·k的導(dǎo)熱率。取向方向上的導(dǎo)熱率應(yīng)大于與該取向方向相垂直的方向上的導(dǎo)熱率的2倍。
根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料采用下述步驟生產(chǎn)將銅粉末和氧化亞銅粉末加以混合，對(duì)混合后的粉末進(jìn)行壓制，在800-1050℃下燒結(jié)所壓制的成形體，并且進(jìn)行冷或者熱塑性加工。(銅粉末是所述金屬的一個(gè)實(shí)例，氧化亞銅粉末是所述無(wú)機(jī)粒子的一個(gè)實(shí)例。)根據(jù)本發(fā)明的銅復(fù)合材料由含有不可避免的雜質(zhì)的氧化銅(CuO)和銅(Cu)的混合粉末制備而成。氧化銅的量為10.8-48.8體積％。其生產(chǎn)過(guò)程包括如下步驟將所述混合粉末壓制成形，在800-1050℃下燒結(jié)所述的壓制成形體，由此使所述壓制成形體固化并且通過(guò)CuO和Cu間的反應(yīng)來(lái)形成Cu2O，再進(jìn)行熱壓或者冷壓制(作為塑性加工)以及退火處理。
本發(fā)明的銅復(fù)合材料由Cu和Cu2O構(gòu)成，前者的熱膨脹系數(shù)高達(dá)17.6×10-6/℃，導(dǎo)熱率高達(dá)391W/m·k，而后者的熱膨脹系數(shù)較低，為2.7×10-6/℃，導(dǎo)熱率則為12W/m·k。通過(guò)燒結(jié)就可將其成形為用于半導(dǎo)體器件的散熱片。所獲燒結(jié)體由Cu和含量為20-80Vol％的Cu2O構(gòu)成。所述燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)為5×10-6-14×10-6/℃，在室溫至300℃的范圍內(nèi)的導(dǎo)熱率為30-325W/m·k。Cu2O含量等于或高于20％時(shí)，所述復(fù)合材料具有散熱片所要求的高導(dǎo)熱系數(shù)。Cu2O含量等于或低于80％時(shí)，所述復(fù)合材料具有足夠的導(dǎo)熱率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料基本上通過(guò)粉末冶金來(lái)獲得。所述銅復(fù)合材料由Cu粉末和Cu2O粉末或者CuO粉末制備而成。所述這些粉末(作為原材料)按預(yù)定的比例進(jìn)行混合，在模具中冷壓所述的混合粉末，以及對(duì)所獲得的預(yù)型件進(jìn)行燒結(jié)。如必要，對(duì)所獲燒結(jié)體再進(jìn)行熱或者冷塑性加工。
原材料粉末的混合通過(guò)使用V型混合機(jī)，球形磨機(jī)，或者通過(guò)機(jī)械合金化來(lái)實(shí)現(xiàn)。原材料粉末的粒子尺寸影響壓模性能和燒結(jié)后Cu2O的分散性。因此，Cu粉末的粒子直徑應(yīng)為100μm或更小，Cu2O和CuO粉末的粒子直徑應(yīng)為10μm或更小，優(yōu)選為1-2μm。
在400-1000kg/cm2的壓力下，對(duì)所述混合粉末在模具中進(jìn)行冷壓。所述壓力應(yīng)優(yōu)選隨著Cu2O含量的增加而增大。
在氬氣氛中，正常壓力下或者采用HIP在壓力下進(jìn)行熱壓對(duì)所述混合粉末的預(yù)型件進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)應(yīng)在800-1050℃下進(jìn)行約3小時(shí)。燒結(jié)溫度應(yīng)隨著Cu2O含量的增加而升高。燒結(jié)溫度依據(jù)基體金屬的種類(lèi)而改變?；w金屬為銅時(shí)，如燒結(jié)溫度為800℃或更低，則所獲燒結(jié)體將具有低密度。此外，在1050℃或者更高的溫度下燒結(jié)會(huì)發(fā)生Cu與Cu2O間的共晶反應(yīng)，從而導(dǎo)致部分熔化。因此，充分的燒結(jié)溫度范圍為900-1000℃。
根據(jù)本發(fā)明的銅復(fù)合材料由Cu和Cu2O構(gòu)成，所述復(fù)合材料的硬度低。因此，如必要，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行冷加工或熱加工，例如軋制和鍛造，在燒結(jié)后進(jìn)行上述加工。加工會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱率的各向異性，這對(duì)于強(qiáng)度或者某些需要在特定方向進(jìn)行熱傳導(dǎo)的應(yīng)用場(chǎng)合有利。
根據(jù)本發(fā)明，原材料粉末可以是CuO。將該CuO粉末與Cu粉末混合，并且將所混合的粉末壓制成型。燒結(jié)所獲得的預(yù)型件以使Cu氧化。結(jié)果，就獲得一種由Cu基體和Cu2O分散相構(gòu)成的燒結(jié)體。與Cu共存的CuO在高溫下依據(jù)下述方程(1)轉(zhuǎn)變成Cu2O(其為熱穩(wěn)定相)。
2Cu+CuO→Cu+Cu2O (1)需要一定長(zhǎng)度的時(shí)間才能使方程(1)所表示的反應(yīng)達(dá)到平衡。如燒結(jié)溫度為900℃，則3小時(shí)就已足夠。
燒結(jié)體中的Cu2O粒子應(yīng)盡可能細(xì)小，因?yàn)槠淞Ｗ又睆綄?duì)復(fù)合材料的密度，強(qiáng)度和塑性加工性有影響?；旌戏椒▽?duì)粒子直徑的影響很大?；旌夏芰吭礁撸l(fā)生凝聚的粉末粒子越少。從而，燒結(jié)后可獲得細(xì)小的Cu2O。
根據(jù)本發(fā)明，Cu2O相的粒子依據(jù)所使用的混合機(jī)器可作如下確定。50體積％或更多的粒子的直徑等于或小于50μm(如果使用的是V型混合機(jī)(混合能量小))，或粒子直徑小于或等于50μm(如果使用內(nèi)裝有鋼球的球形磨機(jī))，或粒子直徑小于或等于10μm(使用機(jī)械合金化(混合能量最大)時(shí))，余下部分的粒子直徑為50-200μm。當(dāng)粒子直徑為200μm或更大時(shí)，所獲得的復(fù)合材料的孔隙率高，因而，其塑性加工性差。當(dāng)Cu2O相的含量超過(guò)50體積％時(shí)，所獲得的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率低，且性能不均勻，因而，不足于用來(lái)作為半導(dǎo)體器件的散熱片。一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)是一種由Cu相和在其中均勻分布的Cu2O相(50μm或更小)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。Cu2O粒子的形狀極其不規(guī)則，并且在燒結(jié)前相互連成一體；燒結(jié)前它們的粒子直徑在高倍下可觀察到。Cu2O相應(yīng)優(yōu)選為10μm或更小。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是在本發(fā)明的實(shí)施例1(試樣編號(hào)4)中的燒結(jié)體(由Cu和55體積％的Cu2O構(gòu)成)的顯微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片。
圖2是在本發(fā)明的實(shí)施例2中的燒結(jié)體(由Cu和55體積％的Cu2O構(gòu)成)的顯微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片。
圖3是在本發(fā)明的實(shí)施例3中的燒結(jié)體(由Cu和40體積％的Cu2O構(gòu)成)的顯微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片。
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例4中的鍛造后的材料(由Cu和55體積％的Cu2O構(gòu)成)的顯微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片，所述顯微結(jié)構(gòu)是與鍛造時(shí)的延伸方向平行的平面的顯微結(jié)構(gòu)。
圖5是本發(fā)明的實(shí)施例5(試樣編號(hào)14)中的燒結(jié)體(由Cu和32.2體積％的CuO構(gòu)成)的顯微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片。
圖6示出的熱膨脹率與導(dǎo)熱率之間的關(guān)系。
圖7是本發(fā)明的實(shí)施例6中的IGBT模塊的平面視圖。
圖8是本發(fā)明的實(shí)施例6中的IGBT模塊的剖面圖。
圖9A-9D是實(shí)施例6中的IGBT模塊的生產(chǎn)步驟的示意圖。
圖10示出的是在生產(chǎn)本發(fā)明的實(shí)施例6中的IGBT模塊的每個(gè)步驟中的基體彎曲(即翹曲)量。
圖11是裝備有本發(fā)明的實(shí)施例6中的IGBT模塊的能量轉(zhuǎn)換裝置的平面圖和剖面圖。
圖12A和12B示出的是尚未裝備有本發(fā)明的實(shí)施例6中的IGBT模塊的能量轉(zhuǎn)換裝置的彎曲量。
圖13A和13B示出的是已裝備有本發(fā)明的實(shí)施例6中的IGBT模塊的能量轉(zhuǎn)換裝置的彎曲量。
圖14是內(nèi)置了本發(fā)明的實(shí)施例7中的散熱片的塑料封裝件的剖面圖。
圖15是具有外露的本發(fā)明的實(shí)施例7中的散熱片的塑料封裝件的剖面圖。
圖16是本發(fā)明的實(shí)施例8中的封裝件的剖面圖。
圖17是具有本發(fā)明的實(shí)施例8中的散熱翅片的陶瓷封裝件的剖面圖。
圖18是本發(fā)明的實(shí)施例9中的半導(dǎo)體器件的剖面圖。
圖19是本發(fā)明的實(shí)施例9中的半導(dǎo)體器件的剖面圖。
圖20是本發(fā)明的實(shí)施例10中的MCM的剖面圖。
圖21是與本發(fā)明有關(guān)的靜電吸引器的剖面圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式實(shí)施例1本實(shí)施例中使用的原材料粉末是電解銅粉末(粒子直徑為75μm或更小)和Cu2O粉末(粒子直徑為1-2μm，純度為3N)。按照表1所示比例對(duì)上述兩種粉末進(jìn)行混合。將所獲得的混合物(1400g)在一內(nèi)裝有鋼球的干式球形磨機(jī)中進(jìn)行充分混合，時(shí)間超過(guò)10小時(shí)。所獲得的混合后的粉末被置于直徑為150mm的模具中，并在400-1000kg/cm2的壓力下進(jìn)行冷壓，所述壓力依據(jù)Cu2O含量而定。結(jié)果，就獲得了直徑為150mm，高為17-19mm的預(yù)型件。在氬氣氛中對(duì)所述預(yù)型體進(jìn)行燒結(jié)。對(duì)所獲得的燒結(jié)體進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，并進(jìn)行熱膨脹率、導(dǎo)熱率和維氏硬度的測(cè)定。附帶提一下，在900-1000℃下進(jìn)行燒結(jié)3小時(shí)，具體溫度依據(jù)Cu2O含量而定。采用進(jìn)行TMA分析(熱機(jī)械分析)的儀器測(cè)定室溫至300℃范圍內(nèi)的熱膨脹率。導(dǎo)熱率采用激光燒化法測(cè)量。所獲結(jié)果示于表1中。所獲燒結(jié)體(試樣編號(hào)4)具有如圖1所示的顯微結(jié)構(gòu)。
化學(xué)分析結(jié)果表明，所獲燒結(jié)體的組成與混合比例相一致。由表1可明顯看出，依據(jù)Cu和Cu2O的比例不同，熱膨脹率和導(dǎo)熱率的變化范圍很大。因此，有可能生產(chǎn)出具有散熱片所要求的熱性能的燒結(jié)體。
表1

圖1所示的顯微照片(×300)顯示其顯微結(jié)構(gòu)中Cu2O粒子尺寸為50μm或更小，Cu2O相在Cu相中均勻分散。(Cu2O粒子在混合階段聚集并在燒結(jié)階段稍有長(zhǎng)大)。顯微照片中，白色部分代表Cu相，黑色部分代表Cu2O相。
由圖1可注意到，Cu2O粒子以不規(guī)則形狀分散，占有橫截面積其的99％或更多。
所述Cu相和Cu2O相的硬度(Hv)分別為210-230和75-80。所獲得的燒結(jié)體具有良好的機(jī)加工性能(車(chē)削和鉆削)，能夠容易地加工成所要求的形狀。
實(shí)施例2
所采用的步驟與實(shí)施例1相同，只是進(jìn)行混合時(shí)使用的是V型混合機(jī)。所獲得的燒結(jié)體由Cu和55體積％的Cu2O構(gòu)成。采用與實(shí)施例1相同的方法，對(duì)所述燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)、熱膨脹率和導(dǎo)熱率進(jìn)行了測(cè)定。
圖2是由Cu和55體積％的Cu2O構(gòu)成的燒結(jié)體的光學(xué)顯微照片(×300)。由照片可明顯看出，顯微結(jié)構(gòu)中存在尺寸差別很大的Cu2O粒子。大的Cu2O粒子是在V型混合機(jī)中進(jìn)行混合時(shí)發(fā)生聚集而形成的。本實(shí)施例中的燒結(jié)體的熱膨脹率和導(dǎo)熱率與組成相同的Cu2O相在Cu相中均勻分散的燒結(jié)體幾乎相當(dāng)。然而，所測(cè)結(jié)果因部位不同而異?？勺⒁獾剑蟛糠諧u2O粒子象在圖1中那樣，以不規(guī)則形狀分散，但它們的聚集程度比圖1中大。
實(shí)施例3本實(shí)施例中使用的原材料粉末是電解銅粉末(其粒子直徑為74μm或更小)和CuO粉末(其粒子直徑為1-2μm，純度為3N)。對(duì)上述兩種粉末進(jìn)行混合，以獲得由Cu和22.4體積％的CuO的構(gòu)成的混合物。在內(nèi)裝有鋼球(直徑8mm)的行星式球磨機(jī)(直徑120mm)中采用機(jī)械合金化法充分混合所獲得的混合物(300g)達(dá)25小時(shí)。將所獲得的混合后的粉末置于一直徑為80mm的模具中，并且在1000kg/cm2的壓力下進(jìn)行冷壓。結(jié)果就獲得一種預(yù)型體。在800℃下，于氬氣氛中燒結(jié)所述預(yù)型體，時(shí)間為2小時(shí)。采用與實(shí)施例1相同的方法對(duì)所獲得的燒結(jié)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱膨脹率和導(dǎo)熱率檢測(cè)。對(duì)其也采用X射線衍射儀進(jìn)行了測(cè)試。
圖3是所述燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片(×1000)。由圖中可明顯看出，Cu2O粒子比實(shí)施例1和2中的相應(yīng)粒子更細(xì)小，而且，尺寸為10μm或更小的Cu2O粒子是均勻分散的。這種細(xì)小的顯微結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足改善強(qiáng)度和冷軋性能的要求?？勺⒁獾?，95％或者更多的Cu2O粒子以如圖1中那樣的不規(guī)則形狀分散，但是其中的一些粒子為球狀(每100μm2的面積中粒子數(shù)約為20個(gè))。
對(duì)所述燒結(jié)體采用X射線衍射儀進(jìn)行了測(cè)試，以確定其中所含有的氧化物類(lèi)型。所出現(xiàn)的只是Cu2O的衍射峰。這一結(jié)果表明，在燒結(jié)過(guò)程中，CuO已完全轉(zhuǎn)變成為Cu2O。化學(xué)分析的結(jié)果顯示，正如所期望的那樣，所述燒結(jié)體由Cu和40體積％的Cu2O構(gòu)成。
已發(fā)現(xiàn)，所述燒結(jié)體具有與下面將述及的相同組成的實(shí)施例5中燒結(jié)體相同的熱膨脹率和導(dǎo)熱率。
實(shí)施例4本實(shí)施例中所用的原材料粉末與實(shí)施例1相同。對(duì)原材料粉末進(jìn)行混合，以獲得一種由Cu和55體積％Cu2O構(gòu)成的混合物。在V型混合機(jī)中對(duì)所獲得的混合物(550g)進(jìn)行充分混合。將所獲得的混合后的粉末置于一直徑為80mm的模具中，并且在600kg/cm2的壓力下進(jìn)行冷壓。結(jié)果就獲得一個(gè)尺寸為80mm×22mm的預(yù)型體。在氬氣氛中，于975℃下燒結(jié)所述預(yù)型體，時(shí)間為3小時(shí)。將所獲得的燒結(jié)體加熱至800℃并且用一臺(tái)200噸的壓鍛機(jī)對(duì)其進(jìn)行鍛造(鍛造比為1.8)。鍛造后在500℃下進(jìn)行回火和退火。采用與實(shí)施例1相同的方法對(duì)所獲得的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、熱膨脹率以及導(dǎo)熱率進(jìn)行測(cè)定。
已發(fā)現(xiàn)，所述鍛造產(chǎn)品除出現(xiàn)輕微的邊部開(kāi)裂外，還是令人滿(mǎn)意的。本發(fā)明的銅復(fù)合材料具有較佳的塑性加工性。
圖4是所述鍛造產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片(×300)?？勺⒁獾剑珻u相和Cu2O相均發(fā)生了變形并且沿鍛造方向取向分布；然而，并沒(méi)有缺陷如開(kāi)裂出現(xiàn)。也注意到，95％或者更多的Gu2O粒子以連接一起的不規(guī)則粒子形式分散。所述粒子在塑性加工中發(fā)生了伸長(zhǎng)。
采用激光燒化法測(cè)量了所述燒結(jié)體和鍛造產(chǎn)品的導(dǎo)熱率(表2)。所述燒結(jié)體在導(dǎo)熱率上并不具有各向異性。然而，所述鍛造產(chǎn)品的導(dǎo)熱率卻表現(xiàn)出各向異性。Cu相和Cu2O相取向分布的L方向上的導(dǎo)熱率比與L方向垂直的C方向(鍛造方向)上的導(dǎo)熱率的2倍還要大。室溫至300℃的范圍內(nèi)的熱膨脹率幾乎沒(méi)有各向異性；這與實(shí)施例1的結(jié)果一致。表2

實(shí)施例5本實(shí)施例中所用的原材料粉末是電解銅粉末(其粒子直徑為74μm或更小)和CuO粉末(其粒子直徑為1-2μm，純度為3N)。按照表3所示比例對(duì)上述兩種粉末進(jìn)行混合。在內(nèi)裝有鋼球的干式球形磨機(jī)中，對(duì)所獲得的混合物(1400g)進(jìn)行充分混合，時(shí)間超過(guò)10小時(shí)。將所獲得的混合后的粉末置于一直徑為150mm的模具中，并且在400-1000kg/cm2的壓力下進(jìn)行冷壓，所述壓力的具體值依據(jù)CuO含量而定。結(jié)果，就獲得了預(yù)型體，隨后，對(duì)所述預(yù)型體在氬氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。對(duì)所獲得的燒結(jié)體進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)構(gòu)檢測(cè)以及熱膨脹率和導(dǎo)熱率的測(cè)定。也采用X射線衍射儀測(cè)試了所述燒結(jié)體，以便確定其中存在的氧化物類(lèi)型。順便提一下，燒結(jié)在900-1000℃下進(jìn)行3小時(shí)，具體燒結(jié)溫度依據(jù)CuO含量而定，采用進(jìn)行TMA分析(熱機(jī)械分析)的儀器測(cè)定了室溫至300℃范圍內(nèi)的熱膨脹率。導(dǎo)熱率采用激光燒化法測(cè)量，所獲結(jié)果如表3所示。表3

采用X射線衍射儀檢測(cè)了所述燒結(jié)體，以便確定其中存在的氧化物類(lèi)型。衍射峰對(duì)應(yīng)的只有Cu2O。這表明，燒結(jié)期間，CuO已完全轉(zhuǎn)變成為Cu2O。
樣品14的顯微結(jié)構(gòu)如圖5所示。該光學(xué)顯微照片(×300)顯示，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中的具有相同組成的樣品相一致。Cu2O相由Cu2O(由Cu和CuO的氧化反應(yīng)形成)和Cu2O(由CuO的分解形成)構(gòu)成。Cu2O粒子與實(shí)施例1中的相應(yīng)粒子一致。
由表3可明顯看出，所述燒結(jié)體與由Cu2O粉末制得的燒結(jié)體在熱膨脹率上差別并不很大。然而，當(dāng)Cu2O含量超過(guò)50體積％時(shí)，所述燒結(jié)體的導(dǎo)熱率較高。這是因?yàn)椴捎肅uO粉末制備時(shí)，所獲燒結(jié)體的密度較高。
圖6示出的是表示表3中所示的導(dǎo)熱率(X)與熱膨脹系數(shù)(Y)的關(guān)系的曲線。所標(biāo)繪的點(diǎn)位于分別用方程Y＝0.031X+4.65和Y＝0.031X+5.95表示的兩條直線之間。20-250℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)的平均增加值為從20℃的值起每單位W/m·k0.025-0.035ppm/℃。
實(shí)施例6
本實(shí)施例說(shuō)明的是本發(fā)明的銅復(fù)合材料的應(yīng)用。該應(yīng)用是作為功率半導(dǎo)體元件之一的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的散熱片。
圖7是展示由24個(gè)IGBT元件組成的模塊內(nèi)部的平面視圖。圖8是一個(gè)IGBT的模塊的剖視圖。采用釬料201將4個(gè)IGBT元件101和兩個(gè)二極管元件102連接到AlN襯底103上。AlN襯底103由兩個(gè)銅箔薄片202和203與一個(gè)AlN板204組成，上述兩個(gè)銅箔與AlN板采用銀釬料(圖中未示出)焊接一起。在AlN襯底103上形成有發(fā)射極布線區(qū)104，集電極布線區(qū)105以及柵極布線區(qū)106。將IGBT元件101和二極管元件102焊接到集電極布線區(qū)105上。每個(gè)元件通過(guò)金屬線107連接到發(fā)射極布線區(qū)104。此外，在柵極布線區(qū)106設(shè)置有電阻元件108，IGBT元件101的柵極焊點(diǎn)通過(guò)金屬導(dǎo)線107與電阻元件108相連。每個(gè)均安放有半導(dǎo)體元件的6個(gè)AlN襯底103均通過(guò)釬料205與散熱片109連接一起。具有鍍Ni表面的散熱片109采用實(shí)施例1-5中所述的Cu-Cu2O復(fù)合材料制備而成。AlN襯底103通過(guò)釬料209與端子206相連。端子206和塑料殼207一起構(gòu)成基極組塊208。塑料殼207采用有機(jī)硅橡膠粘結(jié)劑210與散熱片109粘合一起。從外殼組塊208引出的端子與每個(gè)AlN襯底在兩個(gè)發(fā)射極端子110，兩個(gè)發(fā)射極定向端子111，兩個(gè)集電極端子112以及一個(gè)柵極端子113處相連接。然后，通過(guò)外殼罩211(其具有樹(shù)脂噴射口)噴射有機(jī)硅凝膠212，以便將所述端子完全封蓋住。之后，傾倒熱固性環(huán)氧樹(shù)脂213，以便將整個(gè)表面封蓋。從而，就完成了所述模塊的制造。散熱片109通過(guò)8個(gè)貫穿8個(gè)螺栓孔114的螺栓固定到鋁支撐體上。螺栓孔114采用機(jī)加工制成。此外，所述外殼207通過(guò)另外8個(gè)貫穿8個(gè)螺栓孔115的螺栓(采用粘結(jié)劑210連接)進(jìn)行連接。
表4示出了通常使用的基體材料與根據(jù)本發(fā)明的Cu復(fù)合材料(含有30體積％Cu2O)的熱膨脹率和導(dǎo)熱率的比較結(jié)果。可注意到，采用Cu-Cu2O基體材料的半導(dǎo)體元件具有比采用通常使用的Cu基體材料的模塊更低的熱膨脹系數(shù)。釬料209將AlN襯底與基體109連接一起使可靠性得以改善。用于改善釬料106在惡劣環(huán)境中的可靠性的Mo或Al-SiC基體具有比Cu-Cu2O基體更低的熱膨脹系數(shù)。然而，其導(dǎo)熱率也較小，結(jié)果造成模塊的熱阻較大。根據(jù)本發(fā)明的具有Cu-Cu2O基體的模塊的熱疲勞壽命比具有Cu基體的模塊的5倍還要長(zhǎng)，而且，其熱阻相當(dāng)于具有同樣厚度的Mo基體的模塊的0.8倍。表4

上述結(jié)果拓寬了模塊結(jié)構(gòu)和材料的選擇范圍，例如，在圖7所示的實(shí)施例中，Cu-Cu2O基體的導(dǎo)熱率比Mo基體高。換言之，該基體的熱擴(kuò)散性能得到改善。因此，在半導(dǎo)體元件運(yùn)行期間，其端部與中心處的溫度差得以減小。半導(dǎo)體元件可以做成傳統(tǒng)模塊的1.2倍。結(jié)果，IGBT的具有30個(gè)單元的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在被一種具有24個(gè)單元的IGBT新結(jié)構(gòu)所代替。這樣，就能夠減小模塊的尺寸。此外，現(xiàn)在有可能使用導(dǎo)熱率比AlN基體低(低約20％)的氧化鋁襯底(作為絕緣襯底)。氧化鋁的抗彎強(qiáng)度優(yōu)于AlN，因此，其可以加工成較大的襯底。氧化鋁板的熱膨脹系數(shù)比AlN板高，而且，其與基體材料間的熱膨脹率差別較小。這會(huì)使得模塊本身的彎曲程度減小。氧化鋁襯底可以制造得尺寸較大，而較大的襯底可安裝更多的半導(dǎo)體元件。換言之，鋁襯底可以使每個(gè)襯底中的絕緣面積減小，并且可以使兩襯底間的絕緣面積減小。這會(huì)導(dǎo)致模塊尺寸的減小。
圖9A-9D是展示根據(jù)本發(fā)明的模塊的生產(chǎn)步驟的示意圖。
(圖9A)制備出具有鍍鎳表面的Cu-Cu2O基體109。該基體在購(gòu)買(mǎi)時(shí)的狀態(tài)下近乎平直。
(圖9B)用釬料205將AlN襯底103焊接到基體109上。AlN襯底安裝有采用釬料102與之焊結(jié)一起的半導(dǎo)體元件101。當(dāng)釬料冷卻時(shí)基體109會(huì)彎曲，因?yàn)槠渑c由AlN襯底和半導(dǎo)體元件構(gòu)成的組件的熱膨脹率不同。結(jié)果，模板的背面會(huì)變凹。
(圖9C)外殼組塊108采用熱固性粘結(jié)劑進(jìn)行組裝。當(dāng)粘結(jié)劑變冷時(shí)，模塊的背面會(huì)變得幾乎平直，因?yàn)橥鈿さ臒崤蛎浵禂?shù)比已進(jìn)行焊接的組件301高。
(圖9D)模塊內(nèi)部用硅膠212和熱固性環(huán)氧樹(shù)脂213填充。模塊的背面變得凸起，因?yàn)樗鰳?shù)脂的熱膨脹系數(shù)高。
圖10中的曲線反映的是每一步驟中背面彎曲的量。正值代表凹下彎曲，負(fù)值代表凸起彎曲。具有根據(jù)本發(fā)明的Cu-Cu2O基體的模塊彎曲程度比具有傳統(tǒng)的Mo基體的模塊小(約為三分之一)。具有Cu基體的模塊在加工完成后具有彎曲的凹下背面(凹下量為100μm或更大)，因?yàn)槠錈崤蛎浡逝cAlN襯底的差異很大(結(jié)果未在圖中示出)，所以該模塊的背面在步驟(b)會(huì)出現(xiàn)彎曲的凹陷。具有根據(jù)本發(fā)明的Cu-Cu2O基體的模塊的彎曲量??；因此，可以將模塊做得比以前更大。正如裝配過(guò)程中彎曲程度較小那樣，運(yùn)行過(guò)程中由于溫度變化引起的彎曲程度也較小。因此，模塊與冷卻翅片間的潤(rùn)滑脂不會(huì)流動(dòng)。
圖11示出的是本發(fā)明的模塊應(yīng)用其中的能量轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)施例，本實(shí)施例是一種2電平反相器。功率半導(dǎo)體器件501安裝在鋁制散熱片511上并通過(guò)擰緊螺栓512來(lái)進(jìn)行固定，其中，散熱潤(rùn)滑脂510被置于所述器件與散熱片間。通常，兩組模塊501對(duì)稱(chēng)排列，以便通過(guò)一個(gè)單一的中間布線503(點(diǎn)B)將二者加以連接。集電極布線502和發(fā)射極布線504被施加通過(guò)U，V和W相與之相連接的電源電壓509。信號(hào)線構(gòu)成于每個(gè)IGBT模塊501，柵極布線505，發(fā)射極輔助布線506以及集電極輔助布線507。負(fù)載用508表示。
圖12A和12B中的曲線示出的是模塊的彎曲量。圖13A和13B中的曲線示出的是裝配后的模塊擰緊前后測(cè)得的模塊背面上的彎曲量(潤(rùn)滑脂厚度)。圖12A和13A代表本發(fā)明中的結(jié)果，而圖12B和13B反映的是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果。對(duì)于具有已知的傳統(tǒng)Al-SiC基體的模塊而言，其背面的彎曲(凸起)的量約為100μm。然而，如果模塊用潤(rùn)滑脂涂覆，之后再擰緊，則彎曲方向會(huì)發(fā)生顛倒(由凸起變?yōu)榘枷?，因?yàn)樵跀Q緊時(shí)，表面會(huì)受到潤(rùn)滑脂的推力作用。結(jié)果，在中心處，潤(rùn)滑脂的厚度增加，而且接觸電阻也相應(yīng)增加。相反，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的Cu-Cu2O基體而言，起始彎曲的量為約50μm，而在添加潤(rùn)滑脂以及擰緊之后，模塊中心處潤(rùn)滑脂的厚度仍保持為約50μm。這是因?yàn)樗龌w的剛性非常好。結(jié)果，彎曲的量比傳統(tǒng)的Al-SiC基體降低一半。另外，模塊中潤(rùn)滑脂的厚度也變得均勻。裝配時(shí)由于潤(rùn)滑脂具有推力作用，具有剛度不及Cu-Cu2O合金基體的Cu基體的模塊會(huì)發(fā)生變形。這一問(wèn)題通過(guò)采用本發(fā)明的Cu-Cu2O合金得到解決。
如圖所示，本發(fā)明的Cu-Cu2O合金基體具有比傳統(tǒng)的應(yīng)用于高可靠性模塊的Mo或al-SiC基體材料更低的熱阻和接觸熱阻。因此，該合金允許如圖11所示那樣，對(duì)模塊進(jìn)行密集裝配。此外，由于冷卻翅片已使散熱效果得以改善，因此有可能減少裝配所述能量轉(zhuǎn)換裝置所要求的面積和體積。潤(rùn)滑脂厚度的降低可使冷卻翅片保持平直，而且，這有可能構(gòu)造具有大尺寸冷卻翅片的能量轉(zhuǎn)換裝置。另外，有可能免除輔助冷卻措施如強(qiáng)制空冷。這又可以導(dǎo)致尺寸的減小和噪音的下降。
實(shí)施例7本實(shí)施例中，將實(shí)施例1-5中所介紹的本發(fā)明的銅復(fù)合材料應(yīng)用于包含如圖14和15所示IC的塑料封裝件。圖14示出的是具有內(nèi)置散熱片的封裝件。圖15示出的是具有外露的散熱片的封裝件。
所述散熱片由Cu-Cu2O復(fù)合材料制備而成，其中，Cu2O含量的變化范圍為20-55Vol％。所獲得的復(fù)合材料在室溫至300℃的范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)為9×10-6-14×10-6/℃。此熱膨脹系數(shù)與模壓樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)接近。所述散熱片最終進(jìn)行機(jī)加工以及鍍鎳處理。
將參照?qǐng)D14對(duì)封裝件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。所示出的鍍鎳散熱片33由本發(fā)明的銅復(fù)合材料制成。所示出的引線框31通過(guò)絕緣的聚酰亞胺帶32與所述散熱片33連接一起。所示出的IC34被焊接到散熱片33上。所示出的Au線35將IC上的Al電極連接到引線框上。這些組件，除了部分引線框外，均采用主要由環(huán)氧樹(shù)脂、二氧化硅填料及硬化劑構(gòu)成的模壓樹(shù)脂36密封。如圖15所示的具有外露的散熱片的封裝件與如圖14所示的封裝件不同，不同之處在于散熱片33暴露于模壓樹(shù)脂的外面。
對(duì)上面介紹的封裝件在散熱片與模壓樹(shù)脂間的結(jié)合部位進(jìn)行了彎曲和開(kāi)裂情況檢驗(yàn)。已發(fā)現(xiàn)，如果散熱片與模壓樹(shù)脂間的熱膨脹系數(shù)差值為0.5×10-6/℃或者更小，則不會(huì)有問(wèn)題出現(xiàn)。也已發(fā)現(xiàn)，如果Cu2O含量為20-35體積％，則所述復(fù)合材料具有高的導(dǎo)熱率(200W/m·k)。
實(shí)施例8本實(shí)施例說(shuō)明的是一種裝配有散熱片的IC陶瓷封裝件，所述散熱片由在實(shí)施例1-5中所介紹的本發(fā)明的銅復(fù)合材料制成。圖16和17是所述陶瓷封裝件的剖面圖。圖16中，所示出的是一種采用聚酰亞胺樹(shù)脂與鍍鎳的散熱片42連接一起的IC41。散熱片42被焊接到Al2O3的封裝件43上。所述封裝件具有銅布線，并且裝配有插頭44，以便與電路板相連。還示出了一種將IC上的鋁電極與所述封裝件布線連接一起的鋁線45。所述這些組件進(jìn)行如下密封。由可伐合金制成的焊環(huán)通過(guò)銀釬料與封裝件相連。然后，通過(guò)使用輥式電極將焊環(huán)焊接到由可伐合金制成的罩47上。圖17示出的是裝有散熱翅片48的陶瓷封裝件(與圖16中所示的封裝件相同)。
實(shí)施例9本實(shí)施例說(shuō)明的是一種裝配有散熱片的封裝件，所述散熱片由在實(shí)施例1-5中介紹的本發(fā)明的銅復(fù)合材料制成。所述封裝件采用TAB(帶式自動(dòng)鍵合)技術(shù)制備而成。圖18和19是所述封裝件的剖面圖。
圖18中，可看到采用導(dǎo)熱樹(shù)脂52與鍍鎳的散熱片53結(jié)合一起的IC51。所述IC的端子處有Au凸起54形成。Au凸起54與TAB55相連。TAB55通過(guò)薄膜布線56與引線框57連接一起。所述IC采用陶瓷襯底59，線框60和密封玻璃61封裝，而有機(jī)硅橡膠58置于中間。
圖19示出了樹(shù)脂密封的封裝件。IC65通過(guò)Au-Si合金66與本發(fā)明的鍍鎳散熱片67結(jié)合一起。所述IC還進(jìn)一步通過(guò)導(dǎo)熱樹(shù)脂68與銅接地板69和本發(fā)明的鍍鎳散熱片70相結(jié)合。另外，所述IC的端子通過(guò)Au制緩沖墊71連接到TAB72上，并且采用樹(shù)脂73進(jìn)行密封。引線框57和散熱片部分地露在密封樹(shù)脂的外面。采用環(huán)氧樹(shù)脂基的銀膏74將所述TAB固定在所述銅接地板上。
實(shí)施例10本實(shí)施例說(shuō)明的是具有由如圖1-5中所示的本發(fā)明的銅復(fù)合材料制成的散熱片的MCM。圖20是所述MCM的剖面圖。散熱片83通過(guò)壓制由燒結(jié)體(已進(jìn)行軋制或者未經(jīng)軋制)加工而成。
IC81通過(guò)Au線82與形成于本發(fā)明的鍍鎳散熱片83上的薄膜布線84相連。所述IC通過(guò)Au線還與形成于AlN制的封裝件85上的布線相連。所述IC再連接到外部端子86上。所述IC采用焊接而成的罩87密封，Au-Sn預(yù)型件88位于所述封裝件的W金屬化的層之間。
實(shí)施例11本實(shí)施例說(shuō)明的是裝備有本發(fā)明的復(fù)合材料制的介電片的靜電吸引器。圖21是其剖面圖。
如圖21所示，靜電吸引器用來(lái)作為濺射設(shè)備中的夾盤(pán)，所述濺射設(shè)備在真空室95中，減壓氣氛下，對(duì)導(dǎo)體或者半導(dǎo)體制的工件90進(jìn)行處理。當(dāng)由直流電源91將電壓(約500V)加到靜電吸引器的電極94上時(shí)，在介電片92和工件90間就會(huì)出現(xiàn)靜電吸引力。結(jié)果，工件90就被吸向介電片的表面。本實(shí)施例中，所述介電片由實(shí)施例1-5中所述的復(fù)合材料制成。
實(shí)際濺射時(shí)，工件90被固定在靜電吸引器上。采用與排氣口97相連接的真空泵，對(duì)真空室95進(jìn)行抽真空，直至內(nèi)部壓力降至約1×10-3Pa為止。打開(kāi)與氣體入口96相連接的閥門(mén)，使反應(yīng)氣體(氬氣等)以約10sccm的流速進(jìn)入到真空室95中。真空室95中的壓力為約2×10-2Pa。
之后，向所述靜電吸引器的電極94施加高頻功率(13.56MHz下約4KW)，以便在靜電吸引器的電極94與另一個(gè)電極(未示出)間產(chǎn)生等離子體。所述高頻功率的電壓為2KV(VDC)和4KV(VPP)。位于所述靜電吸引器的電極94和高頻功率源93間的匹配盒98被設(shè)計(jì)用來(lái)與真空室進(jìn)行阻抗匹配，以便使高頻功率有效生成等離子體上。
在本濺射設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，工件90的溫度可達(dá)約450℃。然而，所述靜電吸引器的介電片92仍沒(méi)有變化，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象(產(chǎn)生外來(lái)雜質(zhì))出現(xiàn)。這意味所述靜電吸引器的工作可靠性得到有效改善。
順便提一下，當(dāng)所述靜電吸引器應(yīng)用于任何被設(shè)計(jì)在減壓氣氛中對(duì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體工件(如硅襯底)進(jìn)行處理的裝置時(shí)，其都將獲得上述相同的效果。所述靜電吸引器可用來(lái)作為化學(xué)氣相沉積裝置，物理氣相沉積裝置，研磨裝置，蝕刻裝置，離子注入裝置等的夾盤(pán)。
本實(shí)施例中的靜電吸引器可使介電片的熱阻得以改善，而其介電擊穿強(qiáng)度并未受到損害。如果根據(jù)本發(fā)明的靜電吸引器用來(lái)作為在減壓條件下工作的裝置的夾盤(pán)，則有可能會(huì)減少由介電片斷裂所引起的外來(lái)雜質(zhì)的出現(xiàn)。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的復(fù)合材料具有低的熱膨脹率，高的導(dǎo)熱率以及良好的塑性加工性。因此，所述復(fù)合材料可以通過(guò)較少的加工步驟進(jìn)行大量生產(chǎn)。
本發(fā)明的復(fù)合材料也具有包含Cu相(導(dǎo)熱率極高)和Cu2O相(熱膨脹率低)的混合結(jié)構(gòu)；因此，所述復(fù)合材料兼有上述兩種物質(zhì)的性能。如果將Cu含量和Cu2O含量加以充分調(diào)整，本發(fā)明的復(fù)合材料將具有低的熱膨脹率和高的導(dǎo)熱率。本發(fā)明的復(fù)合材料將用來(lái)作為半導(dǎo)體器件的散熱片和靜電吸引器的介電片。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其包括具有散熱片的絕緣襯底和安裝在所述絕緣襯底上的半導(dǎo)體元件，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
2.一種半導(dǎo)體器件，其包括安裝在散熱片上的半導(dǎo)體元件，與所述散熱片相連接的引線框，以及將所述引線框與所述半導(dǎo)體元件電連接起來(lái)的金屬布線，所述半導(dǎo)體元件采用塑料密封，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
3.一種半導(dǎo)體器件，其包括安裝在散熱片上的半導(dǎo)體元件，與所述散熱片相連接的引線框，以及將所述引線框與所述半導(dǎo)體元件電連接起來(lái)的金屬布線，所述散熱片在與同所述半導(dǎo)體元件相連接的一側(cè)相對(duì)的另一側(cè)是敞開(kāi)的，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
4.一種半導(dǎo)體器件，其包括安裝在散熱片上的半導(dǎo)體元件，用于布線襯底的引線，在所述襯底中心處存在一敞開(kāi)空間以安放所述半導(dǎo)體元件，以及以導(dǎo)電方式將所述半導(dǎo)體元件與襯底的端子相連接的金屬布線，所述散熱片與所述襯底相互連接，以便使所述半導(dǎo)體元件固定在所述空間處，并且所述襯底則連接到一個(gè)密封蓋上，從而將所述半導(dǎo)體元件與大氣環(huán)境隔離開(kāi)，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
5.一種半導(dǎo)體器件，其包括安裝在散熱片上的半導(dǎo)體元件，用于與外面的布線相連接的端子，其中心處存在一凹槽以安放所述半導(dǎo)體元件的陶瓷多層布線襯底，以及以導(dǎo)電方式將所述半導(dǎo)體元件與襯底的端子連接一起的金屬布線，所述散熱片與所述襯底的凹槽相互連接，以便使所述半導(dǎo)體元件固定于所述凹槽處，并且所述襯底連接到一個(gè)密封蓋上，從而將所述半導(dǎo)體元件與大氣環(huán)境隔離開(kāi)，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
6.一種半導(dǎo)體器件，其包括散熱片，通過(guò)導(dǎo)熱樹(shù)脂連接到所述散熱片上的半導(dǎo)體元件，與陶瓷絕緣襯底相連接的引線框，以及以導(dǎo)電方式將所述半導(dǎo)體元件與引線框連接一起的TAB，所述散熱片與所述襯底相互連接，以便將所述半導(dǎo)體元件與大氣環(huán)境隔離開(kāi)，并且所述半導(dǎo)體元件和所述絕緣襯底被插入兩者間的導(dǎo)熱的彈性樹(shù)脂隔開(kāi)，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
7.一種半導(dǎo)體器件，其包括第一個(gè)散熱片，通過(guò)金屬與所述散熱片相連接的半導(dǎo)體元件，與接地板相連接的第二個(gè)散熱片，所述第一個(gè)散熱片與接地板相連接，所述第一個(gè)散熱片固定在該散熱片的接地板上，以及以導(dǎo)電方式連接所述半導(dǎo)體元件的端子的TAB，所述半導(dǎo)體元件采用塑料密封，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
8.一種半導(dǎo)體器件，其包括具有散熱片的絕緣襯底和安裝在所述絕緣襯底上的半導(dǎo)體元件，其中，所述散熱片用由金屬和熱膨脹系數(shù)比所述金屬小的無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述無(wú)機(jī)粒子以連接一起的聚集體形式分散分布，所述聚集體沿塑性加工方向伸展。
9.一種半導(dǎo)體器件，其包括具有散熱片的絕緣襯底和安裝在所述絕緣襯底上的半導(dǎo)體元件，其中，所述散熱片用由銅和銅氧化物粒子構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物粒子分散的方式應(yīng)使95％或者更多的該粒子(用橫截面上的粒子面積的大小表示)形成連接一起的具有復(fù)雜構(gòu)形的聚集體。
10.一種靜電吸引器，其包括電極層和與所述電極層結(jié)合一起的介電片，當(dāng)在所述電極層上施加電壓時(shí)，所述介電片會(huì)產(chǎn)生靜電吸引力，以使物體固定到所述介電片的表面上，其中，所述介電片用由銅和銅氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料制成，其特征在于所述銅的氧化物是氧化亞銅(Cu2O)，所述氧化亞銅的含量為20-80體積％。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種具有低的熱膨脹率,高的導(dǎo)熱率和良好的塑性加工性的復(fù)合材料,所述復(fù)合材料可應(yīng)用于半導(dǎo)體器件以及許多其它應(yīng)用場(chǎng)合。所述復(fù)合材料由金屬和熱膨脹系數(shù)比所述金屬小的無(wú)機(jī)粒子構(gòu)成。其特征在于所述無(wú)機(jī)粒子分散的方式使95%或者更多的粒子(以橫截面上的粒子面積表示)形成具有復(fù)雜構(gòu)形的連接一起的聚集體。所述復(fù)合材料含有20－80體積%的銅的氧化物,余下部分是銅。其在室溫至300℃的范圍內(nèi),熱膨脹系數(shù)為5×10
文檔編號(hào)H05K7/20GK1377079SQ0211992
公開(kāi)日2002年10月30日 申請(qǐng)日期2002年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
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