CN103057202B - 层叠结构热沉材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

层叠结构热沉材料，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，包括铜-钼铜或钨铜-铜三层复合，通过熔渗和铜复合一次完成，实现中间层钼铜或钨铜中所含铜成分与两表面铜层熔为一体，有利于提高复合界面结合力，同时也简化了制备过程。

Description

层叠结构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，包括：铜/钨铜/铜(C/W/C)，铜/钼铜/铜(C/P/C)金属复合热沉材料导热性能的改进。

背景技术

Cu/MoCu/Cu复合层板(简称CPC)和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Be0、Al203陶瓷匹配，是目前大功率电子元器件首选电子封装材料。此类材料由两面相对高导热的铜、中间低导热的钼层材料(钼或钼铜合金)，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。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。同时还存在上下铜层厚度不均匀，当误差超过0.05mm后，由于两层铜的厚度不一致，和陶瓷框钎焊后产生应力，造成热沉材料变形弯曲。

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层叠结构热沉材料。

本发明另一目的在于提供一种上述层叠结构热沉材料制备方法。

本发明第一目的实现，主要改进是在层叠结构是在高温熔渗时一次完成，中间层材料(钨铜或钼铜合金)与两面复合铜层实际是一个整体，接触良好中间没有气孔等影响导热率的不利因素，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，层叠结构热沉材料，包括铜-钼铜或钨铜-铜三层复合，其特征在于通过熔渗和铜复合一次完成，实现中间层钼铜或钨铜中所含铜成分与两表面铜层熔为一体，所述热沉材料线膨胀系数为6-10 ppm/℃。这样，三层之间没有影响导热率的不利因素存在，既提高了叠层间结合牢度，又有利于热的纵向传导，视三层厚度比不同而异，热导率(TC) 至少增加10%及以上。

中间层材料(钨铜或钼铜合金)与两面复合的铜层实际是一个整体，接触良好，中间没有气孔等影响导热率的不利因素，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。

本发明层叠结构热沉材料制备，其特征在于层叠结构是在高温熔渗时一次完成，即熔渗和铜复合一次完成，中间层材料钨铜或钼铜合金中所含铜与两面的复合铜层熔为一整体，完成熔渗/层叠复合后，经机械加工成最终产品。

本发明方法中，利用熔渗过程残留的铜层，并控制其厚度大于0.1mm，以实现层叠结构的上下表面层，提升热沉材料的热导率和材料利用率，以及使用寿命。。除在熔渗过程中保留和控制层叠结构中铜层厚度，以实现层叠结构的上下表面层，其余方法步骤与现有技术钨铜（钼铜）合金熔渗工艺基本相同，熔渗-复合采用工装夹具完成。

当然本领域普通技术人员能够理解到，除熔渗复合方法外，还可以采用其他方式，例如扩散焊接复合。

本发明层叠结构热沉材料，相对于现有技术，由于中间层材料(钨铜或钼铜合金)与两面复合铜层实际是一个整体，不仅降低了材料的热阻，显著提高了其纵向热传导性能，以CPC厚度比1：1：1为例，纵向热导率由原来的250W/M.K左右，提高到300W/M.K左右(三者厚度比不同，改善热传导也不同)，提高了20%，因而可以增加20%功率密度，或者缩小体积20%；而且叠层间不存在界面，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CPC材料的使用寿命，同时提高钨粉钼粉的使用率，降低成本。

本发明制备方法层叠结构是在高温熔渗时一次完成，中间层材料(钨铜或钼铜合金)与两面复合铜层实际是一个整体，而且有利于提高复合界面结合力，同时此法也简化了制备过程，传统CPC材料制备流程：混料-坯体成型-排胶-熔渗-机械加工-轧制-覆铜-多次轧制-机械加工成品等过程。本发明制备相同材料时，制备流程：混料-坯体成型-排胶-熔渗/复合-机械加工热沉材料，具有热耗散能力强，制作简便、适于工业化生产，且大量降低成本。以1:4:1，1mm厚度铜-钨铜-铜产品为例，与传统制备方法比较，钨粉（钼粉）利用率提高40%以上，导热率提高20%以上。

以下结合一个优化具体实施例，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。

具体实施方式

实施例：层叠结构热沉材料，包括铜-钼铜或钨铜-铜三层复合，通过熔渗和铜复合一次完成实现中间层钼铜或钨铜中所含铜成分与两表面铜层熔为一体，熔渗-复合采用工装夹具完成，利用熔渗过程残留的铜层，并控制其厚度大于0.1mm，实现层叠结构的上下表面层，完成熔渗/层叠复合后，经机械加工成最终产品。

成品基板的铜/钨铜或钼铜/铜厚度配比为1∶1∶1～1∶6∶1(客户需要)，经本发明制备的成品，线膨胀系数(CTE)为6-10 ppm/℃, 热导率(TC>250，气密性1*10-9 。

以铜-钼铜-铜（CPC）比例为1：4：1为例：常规CPC材料，平面方向的热导率在200W/ M·K，Z轴（厚度）方向热导率在110 W/M·K；本发明方法制备的CWC材料，平面方向热导率在260 W/M·K左右，Z轴方向热导率在180W/M·K左右。

比较例：同样上述铜/钼/铜厚度配比为1∶1∶1～1∶6∶1的成品基板，线膨胀系数(CTE)为6-10 ppm/℃, 热导率(TC)200。

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，例如将熔渗/复合改为扩散焊接，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 (1)

1.一种层叠结构热沉材料的制备方法，包括铜-钼铜或钨铜-铜三层复合，其特征在于通过熔渗和铜复合一次完成，实现中间层钼铜或钨铜中所含铜成分与两表面铜层熔为一体，利用熔渗过程残留的铜层，即层叠结构的上下表面层，厚度大于0.1mm，铜/钨铜或钼铜/铜厚度配比为1∶1∶1～1∶6∶1；所述热沉材料线膨胀系数为6-10 ppm/℃，热导率大于250W/M·K；

具体的，层叠结构是在高温熔渗时一次完成，即熔渗和铜复合一次完成，中间层材料钨铜或钼铜合金中所含铜与两面的复合铜层熔为一整体，所述的熔渗-复合采用工装夹具完成，利用熔渗过程残留的铜层，并控制其厚度大于0.1mm，实现层叠结构的上下表面层，铜/钨铜或钼铜/铜厚度配比为1∶1∶1～1∶6∶1，完成熔渗/层叠复合后，经机械加工成最终产品。