CN102054804A - 铜钼铜热沉材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是对铜钼铜金属复合热沉材料导热性能的改进，其特征是中间钼层板上有众多穿通厚度的通孔，各通孔中镶嵌有与钼层板面齐平的铜芯，使所述热沉材料线膨胀系数为6-8ppm/℃，热导率至少增加10％及以上。不仅显著提高了其纵向热传导性能，以CMC厚度比1∶1∶1为例，纵向热导率由原来的150W/M.K左右，提高到220W/M.K左右，提高了46.7％；而且复层界面间由于有多点同种铜压接，也显著增加了复合界面的结合强度，并且由于热传导性能的改善，显著降低了铜钼界面间拉应力，经热循环试验，抗剥离力提高30％，从而有效延长了CMC材料的使用寿命。

Description

铜钼铜热沉材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子封装使用金属基平面层状复合型电子封装材料，特别是对铜钼铜金属复合热沉材料导热性能的改进。

背景技术

Cu/Mo/Cu复合层板(简称CMC)，因具有优良的导热性能和可调节的热膨胀系数，并能与BeO、Al₂O₃陶瓷匹配，以及加工成本比较低，能够显著降低生产成本，是目前大功率电子元器件首选电子封装材料。此材料由两面相对高导热的铜1、3，中间低导热的钼层材料(钼或钼铜合金)2，经热轧复合(例如如中国专利CN1843691、CN1850436)、爆炸成形等方法制得的平面叠层结构(图1)。作为封装材料主要散热方式，依靠纵向(厚度方向)传导散热，将承载其上的芯片等电子器件热量导出散热，即芯片将热量传导给封装在里层的铜层，经纵向热传导，最后通过封装在外层铜层向外散热。然而由于中间层为低导热层，所以其纵向传导散热效果不够理想，不能将热量快速带出，从而限制了作为更大功率密度芯片封装使用。有研究表明如果热导率提高10％，芯片功率密度可以提高10％，如果能提高其散热性能，则可以实现器件的小型化和高功率。其次，叠层式复合结构，界面结合强度有限，而使用过程中基板要经常承受热应力循环，铜和钼的热膨胀系数不同(铜的热膨胀系数约为钼的三倍)，在受热或降温时，铜钼沿复合界面方向伸长或收缩不同，从而产生拉应力，拉应力达到一定程度时，就会在结合界面上产生微裂纹，或者鼓泡，严重时使得界面大规模分离，使用寿命缩短，甚至导致复合热沉材料失效。上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种纵向导热性能更好，并能有效延长使用寿命的铜钼铜热沉材料。

本发明另一目的在于提供一种上述铜钼铜热沉材料制备方法。

本发明第一目的实现，主要改进是在中间钼层材料(钼或钼铜合金)上开有众多穿通厚度的通孔，并在各通孔中以镶嵌形式嵌有伸至上下面层平面的铜芯，通过镶嵌的铜芯与两面复合铜层接触，加速了一侧铜基板热量向另一侧铜基板的纵向传导，从而提高了Cu/Mo/Cu复合层板纵向热传导能力，克服现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明铜钼铜热沉材料，包括铜钼铜三层复合，其特征在于中间钼层板上有众多穿通厚度的通孔，各通孔中镶嵌有与钼层板面齐平的铜芯，使所述热沉材料线膨胀系数(CTE)为6-8ppm/℃，热导率(TC)至少增加10％及以上。

中间钼层上穿透铜芯，可以是均布于整个板面，也可以是主要集中于安放芯片等器件区域。其开孔形式，可以是小孔多孔方式，也可以是大孔少孔方式，孔形可以为圆形，也可以为其他多边形，视铜芯放置方式而定。所述铜芯截面形状，可以是圆形，也可以是其他多边形，为有利于打孔生产，本发明较好采用圆柱结构铜芯。铜芯两端面与中间层板面齐平，既有利于铜芯柱与两侧复合铜板的接触连接，提高叠层间结合牢度，又有利于热的纵向传导。总开孔面积，视Cu/Mo/Cu三层厚度比不同而异，以满足线膨胀系数为6-8ppm/℃，热导率至少增加10％以上为好。

本发明铜芯柱设置，其中更好为在满足线膨胀系数前提下，热导率(TC)增加20％或以上。

本发明铜钼铜热沉材料制备，包括铜板与钼层材料热轧复合，其特征在于先在钼层材料板面加工惯通孔，插入铜芯柱或用熔融铜液填充，加工两面使铜芯与板面齐平，复合铜板，热轧或爆炸复合，退火处理，冷轧成最终产品。

本发明填充铜芯，可以采用二类方法，一类为插入铜芯柱，可以是单个铜芯逐孔插入，也可以将铜板加工成与开孔合金热沉材料孔对应的钉板，整体插入，插入铜芯长度较好略大于钼层材料厚度，然后冷轧使铜芯胀孔；另一类为熔融铜液填充，例如将开孔钼层材料，放入熔融铜溶液中充填，也可以用熔融铜溶液浇注填孔，冷却后磨加工两面。

本发明方法中，除在钼层材料打孔，嵌入铜芯外，其余方法步骤与现有技术热轧复合基本相同。

当然本领域普通技术人员能够理解到，除热轧复合方法外，还可以采用其他方式，例如爆炸复合。

本发明铜钼铜热沉材料，相对于现有技术，由于在中间钼层材料上，开有众多穿通通孔，以铆嵌结构嵌有高导热、端面与钼层材料两面齐平的铜芯柱，铜芯柱与上下面铜层接触，不仅降低了材料的热阻，显著提高了其纵向热传导性能，以CMC厚度比1∶1∶1为例，纵向热导率由原来的150W/M.K左右，提高到220W/M.K左右(三者厚度比不同，改善热传导也不同)，提高了46.7％，因而可以增加40％功率密度，或者缩小体积40％；而且复层界面间由于有多点同种铜压接，也显著增加了复合界面的结合强度，并且由于热传导性能的改善，显著降低了铜钼界面间拉应力，经热循环试验，抗层间分离能力显著提高，抗剥离力提高30％，从而有效延长了CMC材料的使用寿命。本发明制备方法，先在钼层材料板面加工惯通孔，插入铜芯柱或用熔融铜液填充，加工两面使铜芯与板面齐平，复合铜板，热轧或爆炸复合，退火处理，冷轧成最终产品，嵌入铜芯形成类似铆钉嵌入形式，与通孔及上下面形成紧配合，芯柱周面及两端面分别与钼层材料及铜复板形成紧密接触，不仅嵌入铜芯柱形成良好的热传导，而且有利于提高复合界面结合力，同时此法也简化了制备。本发明铜钼铜热沉材料，具有热耗散能力强，制作简便、适于工业化生产，且增加成本不多。

以下结合三个优化具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

附图说明

图1为现有技术CMC材料截面结构示意图。

图2为本发明CMC材料截面结构示意图。

图3为本发明实施例冷嵌铜芯制备工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：参见图2、3，以生产铜钼铜比例为1∶4∶1，厚度为45mm×45mm×1.2mm的铜钼铜热沉材料为例，先在厚度为0.8mm的钼板2厚度方向上打通孔，穿入厚度为1mm与孔同形的无氧铜芯4，进行一次冷轧，使铜芯变形胀孔(防止铜芯脱落)；经喷砂预处理，清除钼板表面污物，并使两面毛糙化；在钼板2两面复合50mm×50mm×0.3mm的无氧铜片1和3，在气体保护状态下进行热轧复合；在真空或气体保护状态下，将热轧复合后的铜钼铜板，在500-900℃温度下退火处理1-2小时；将经过退火的复合板在四辊轧机上经过2-10道次冷轧，以获得最终成品要求的尺寸规格厚度1.2mm，进行剪边、矫直、检验等后续处理。成品基板的铜/钼/铜厚度配比为1∶4∶1，测定线膨胀系数(CTE)为6.4ppm/℃，平面方向热导率240W/M·K，Z轴(厚度)方向热导率200W/M·K，气密性与比较例基本相同。

比较例：常规制备的铜/钼/铜材料，厚度配比1∶4∶1，线膨胀系数(CTE)为6.2ppm/℃，平面方向热导率在200W/M·K，Z轴方向热导率170W/M·K。

实施例2：嵌入铜芯，还可以是无氧铜片经CNC加工出与钼板穿透孔同位(同排列)、同数量，钉板状整体铜芯，其中钉状铜芯高度为1.3mm。将打孔的钨铜板插入铜芯钉板，送入高温炉中，在1400℃温度下进行熔渗，使得铜芯2与钨铜板1上穿透孔紧密结合，最后通过磨加工将包覆铜去除，然后再按通常工艺复合铜层。

实施例3：钼板铜芯填充，还可以是将开孔钼板，放入熔融铜溶液或用熔融铜溶液浇注填孔，冷却后磨加工两面，然后再按通常工艺复合铜层。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如铜芯直径的改变，排列及分布的改变，先喷砂后打孔，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现与上述实施例基本相同功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims (7)

1.铜钼铜热沉材料，包括铜钼铜三层复合，其特征在于中间钼层板上有众多穿通厚度的通孔，各通孔中镶嵌有与钼层板面齐平的铜芯，使所述热沉材料线膨胀系数为6-8ppm/℃，热导率至少增加10％及以上。

2.根据权利要求1所述铜钼铜热沉材料，其特征在于打孔嵌铜芯为整个板面区。

3.根据权利要求2所述铜钼铜热沉材料，其特征在于热导率增加20％或以上。

4.根据权利要求1、2或3所述铜钼铜热沉材料，其特征在于钼层板打孔为圆形孔。

5.铜钼铜热沉材料制备，包括铜板与钼层材料热轧复合，其特征在于先在钼层材料板面加工惯通孔，插入铜芯柱或用熔融铜液填充，加工两面使铜芯与板面齐平，复合铜板，热轧或爆炸复合，退火处理，冷轧成最终产品。

6.根据权利要求5所述铜钼铜热沉材料制备，其特征在于插入铜芯柱为将铜板加工成与开孔钼层材料板孔对应的钉板整体插入。

7.根据权利要求5所述铜钼铜热沉材料制备，其特征在于钼层材料板嵌铜芯为熔融铜液填充。

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