一种热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料及其制备方法，尤其涉及一种热膨胀系数梯度分布的金刚石/金属复合材料，属于电子封装材料技术领域。

背景技术：

功率半导体器件在国民生产生活中扮演越来越重要的角色，在电力、轨道交通、激光、显示、照明、电动汽车等领域得到广泛应用。特别是第三代半导体材料的兴起，对器件的散热要求日益苛刻。现有的功率半导体封装结构一般包括芯片、引线、封装基板、热沉、散热器等数个部分组成。其中除引线是采用打线的方式分别与芯片和封装基板的线路层实现连接外，其余各部分之间均是采用钎焊或胶接的方式用热界面材料实现连接。

但是，由于封装基板和热沉材料的热膨胀系数通常需要匹配半导体芯片的热膨胀系数，而散热器通常采用成本较低但热膨胀系数较大的铜、铝材料，这就导致热沉与散热器之间存在热膨胀系数的失配，在器件工作过程中会因温度的变化而产生循环往复的热应力，严重威胁器件的可靠性；与此同时，连接的接头越多，热界面也就越多，而各种形式的界面都存在较大的界面热阻，对功率半导体器件的散热十分不利，影响器件的输出功率和使用寿命；此外，连接的接头越多，给封装工艺的一致性带来的不利因素就越多，给封装产品的质量稳定性带来更大挑战。

金刚石/金属复合材料，即金刚石颗粒增强金属基复合材料，如金刚石铜、金刚石铝、金刚石银等，由于具有高达400w/mk以上的热导率，近年来受到学术和产业界的广泛关注和研究。但是目前在金刚石/金属复合材料领域的研究热点集中在金属基体对金刚石表面润湿性的改善和提高上，而对于具体封装技术和工艺研究甚少，一定程度上没有将此类材料的特性充分发挥。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前热沉材料和散热器之间热膨胀系数不匹配而产生的热应力问题，简化封装结构和封装工艺，减少连接界面、提升功率半导体器件的散热能力，从而提升可靠性和质量稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料由第一金刚石/金属复合层（1）、第二金刚石/金属复合层（2）、金属散热层（3）三个部分组成，第二金刚石/金属复合层（2）位于第一金刚石/金属复合层（1）和金属散热层（3）之间，且三者之间由金属相连、一体成型。

其中，第一金刚石/金属复合层（1）为金刚石颗粒增强金属基复合材料，所述金刚石体积分数为40%~80%，粒径为10~500μm，所述金属基体为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种，金刚石颗粒与金属基体之间存在1~5000nm厚的碳化物层，所述碳化物为碳化钛、碳化铬、碳化钨、碳化锆、碳化铌、碳化钒、碳化硅、碳化硼、碳化钼中的一种或多种。

第二金刚石/金属复合层（2）为金刚石颗粒增强金属基复合材料，所述金刚石体积分数为10%~40%，粒径为10~500μm，所述金属基体为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种，金刚石颗粒与金属基体之间存在1~5000nm厚的碳化物层，所述碳化物为碳化钛、碳化铬、碳化钨、碳化锆、碳化铌、碳化钒、碳化硅、碳化硼、碳化钼中的一种或多种。

金属散热层（3）为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种；当金属散热层（3）为铜合金、铝合金或银合金时，合金元素为ti、cr、w、zr、b、si、mo、nb、v、re、te、se、li、fe中的一种或多种，合金元素总含量为0.01%~5.50%。

第一金刚石/金属复合层（1）中的金属、第二金刚石/金属复合层（2）中的金属、金属散热层（3）中的金属为同一种金属或合金。

该热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料制备方法有以下两种，分别包括以下步骤：

方法一：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：在一种或多种粒径的金刚石表面分别镀覆一层钛、铬、钨、锆、铌、钒、硅、硼、钼中的一种或多种作为界面层，然后按照不同比例分别与将粘结剂均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为40%~80%和10%~40%的第一压坯和第二压坯，再在50~300℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步，熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具的内腔高度大于两个金刚石预制体厚度之和，将熔化的铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种在无压或气压或机械压力的作用下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态金属的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下纯的液态金属区域，与此同时金刚石表面镀覆的薄膜会在高温下发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步，冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗后，得到本发明的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料；

方法二：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：将一种或多种粒径的金刚石与粘结剂按照不同比例分别均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为40%~80%和10%~40%的第一压坯和第二压坯，并在50~300℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步：熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具的内腔高度大于两个金刚石预制体厚度之和，将熔化的含有钛、铬、钨、锆、铌、钒、硅、硼、钼中的一种或多种的铜合金、铝合金、银合金中的一种在无压或气压或机械压力的作用下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态合金的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下单一的液态合金区域，与此同时液态合金中的合金元素会与金刚石发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步，冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗后，得到本发明的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。

所述粘结剂为环氧树脂、聚乙烯醇、酚醛树脂、石蜡、磷酸盐中的一种或多种，或者相应的水溶液或酒精溶液。

进一步地，继续加工所制得热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料中的金属散热层（3），得到带有散热翅片（31）的散热器。

本发明的有益之处在于，本发明设计的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料通过将不同金刚石含量的金刚石/金属复合层和金属散热层组合的方式实现了第一金刚石/金属复合层一侧的热膨胀系数与半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数相匹配，而金属散热层一侧的热膨胀系数与散热器匹配，或直接作为散热器；第一金刚石/金属复合层与金属散热层之间为热膨胀系数介于二者之间的第二金刚石/金属复合层，可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力，达到了热膨胀系数在散热路径方向上梯度分布的效果，从而简化了封装结构和封装工艺，也避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，消除了热沉和散热器之间的界面热阻，从而提升了功率半导体器件的散热能力，进而提升可靠性和质量稳定性。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料结构示意图。

图3为带有散热翅片的散热器结构示意图。

附图标记说明：1—第一金刚石/金属复合层；2—第二金刚石/金属复合层；3—金属散热层；31—散热翅片。

实施例

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要注意的是，以下仅仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

实施例1

采用图1所示的工艺流程制备热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。具体过程为：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：在粒径为100μm的金刚石表面镀覆一层180nm厚的钨作为界面层，然后将聚乙烯醇水溶液与不同数量的镀膜金刚石分别均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为60%和32%的第一压坯和第二压坯，尺寸分别为20×20×3、20×20×2，接下来在150℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步，熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具内腔尺寸为20.5×20.5×10；接下来，将熔化的无氧铜在35mpa的气压作用下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态金属的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下纯的液态金属区域，与此同时金刚石表面镀覆的薄膜会在高温下发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步，冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗后，得到图2所示的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。

该热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料中第一金刚石/金属复合层（1）一侧的热膨胀系数为5.8×10^-6/k，与半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数相匹配；同时金属散热层（3）一侧的热膨胀系数为16.5×10^-6/k，与铜质散热器匹配；二者之间是热膨胀系数为10.4×10^-6/k的第二金刚石/金属复合层（2），可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力，也避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，可靠性较高，且导热散热性能更好，封装工艺更加简单。

实施例2

采用图1所示的工艺流程制备热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。具体过程为：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：在粒径为300μm和500μm的金刚石表面分别镀覆1000nm厚的硅和430nm厚的钛作为界面层，然后将石蜡与不同数量的镀膜金刚石分别均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为80%和40%的第一压坯和第二压坯，尺寸分别为ф50×2、ф50×3，接下来在130℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步，熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具内腔尺寸为ф50.5×9，接下来将熔化的高导热铜合金在无压条件下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态合金的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下纯的液态合金区域，与此同时金刚石表面镀覆的薄膜会在高温下发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步，冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗后，得到图2所示的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。

该热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料中第一金刚石/金属复合层（1）一侧的热膨胀系数为4.8×10^-6/k，与半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数相匹配；同时金属散热层（3）一侧的热膨胀系数为16.5×10^-6/k，与铜质散热器匹配；二者之间是热膨胀系数为8.9×10^-6/k的第二金刚石/金属复合层（2），可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力，也避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，可靠性较高，且导热散热性能更好，封装工艺更加简单。

实施例3

采用图1所示的工艺流程制备热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。具体过程为：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：在粒径为10μm和50μm的金刚石表面分别镀覆200nm厚的硼和510nm厚的钼作为界面层，然后将酚醛树脂水溶液与不同数量的镀膜金刚石分别均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为40%和10%的第一压坯和第二压坯，尺寸分别为8×4×1、8×4×1.5，接下来在230℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步，熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具内腔尺寸为8×4×5，接下来将熔化的纯铝在无压条件下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态铝的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下纯的液态铝区域，与此同时金刚石表面镀覆的薄膜会在高温下发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步，冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗后，得到图2所示的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。

该热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料中第一金刚石/金属复合层（1）一侧的热膨胀系数为8.1×10^-6/k，接近半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数；金属散热层（3）一侧的热膨胀系数为21.9×10^-6/k，与铝质散热器匹配；二者之间是热膨胀系数为12.5×10^-6/k的第二金刚石/金属复合层（2），可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力，也避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，可靠性较高，且导热散热性能更好，封装工艺更加简单。

实施例4

采用图1所示的工艺流程制备热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。具体过程为：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：在粒径为45μm的金刚石表面分别镀覆70nm厚的铬和80nm厚的硅作为界面层，然后将石蜡与不同数量的镀膜金刚石分别均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为66%和34%的第一压坯和第二压坯，尺寸分别为ф100×1.5、ф100×2，接下来在150℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步，熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具内腔尺寸ф100×6，接下来将熔化的纯银在29mpa的气压下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态银的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下纯的液态银区域，与此同时金刚石表面镀覆的薄膜会在高温下发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步，冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗后，得到图2所示的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。

该热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料中第一金刚石/金属复合层（1）一侧的热膨胀系数为6.2×10^-6/k，接近半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数；金属散热层（3）一侧的热膨胀系数为18.8×10^-6/k，与铜质或银质散热器匹配；二者之间是热膨胀系数为9.0×10^-6/k的第二金刚石/金属复合层（2），可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力，也避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，可靠性较高，且导热散热性能更好，封装工艺更加简单。

实施例5

采用图2所示的工艺流程制备热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。具体过程为：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：将粒径为55μm和70μm的金刚石按照1.5:1的比例进行均匀混合后分成两份，分别与不同比例的石蜡分别均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为57%和43%的第一压坯和第二压坯，尺寸分别为ф90×2、ф90×2，接下来在150℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步，熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具内腔尺寸ф90×6，接下来将熔化的铜铬合金（1%铬，99%铜）在20mpa的气压下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态合金的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下纯的液态合金区域，与此同时金刚石表面镀覆的薄膜会在高温下发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步：冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗后，得到图2所示的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料。

该热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料中第一金刚石/金属复合层（1）一侧的热膨胀系数为5.7×10^-6/k，接近半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数；金属散热层（3）一侧的热膨胀系数为16.1×10^-6/k，与铜质散热器匹配；二者之间是热膨胀系数为9.3×10^-6/k的第二金刚石/金属复合层（2），可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力，也避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，可靠性较高，且导热散热性能更好，封装工艺更加简单。

实施例6

在实施例1所制得的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料基础上，继续用中走丝线切割加工金属散热层（3），得到带有散热翅片（31）的散热器，如图3所示。

该散热器中第一金刚石/金属复合层（1）一侧的热膨胀系数为5.8×10^-6/k，与半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数相匹配；金属散热层（3）一侧的热膨胀系数为16.5×10^-6/k，金属材质的金属散热层（3）可利用常见加工方式加工出散热翅片（31）；二者之间是热膨胀系数为10.4×10^-6/k的第二金刚石/金属复合层（2），可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力。该散热器将传统封装结构中的热沉和散热器合二为一，封装结构和工艺更加简单，避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，可靠性较高，且导热散热性能更好。

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