CN103895286A - 新型多层热沉材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种新型多层热沉材料及其制备方法，该新型多层热沉材料包括至少3层高导热层、至少2层低膨胀系数层，形成高导热层与低膨胀系数层交替叠加的结构；该新型多层热沉材料的制备方法包括四个步骤：第一步，制备三层坯料；第二步，坯料表面清洗；第三步，坯料叠加热压复合；第四步，复合后坯料冷轧。本发明的多层热沉材料的导热性能可提高10%-40%，同时热膨胀系数维持与芯片相匹配，并且制备工艺简单，成本低，适合大批量生产。

Description

新型多层热沉材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子热沉材料技术领域，更具体涉及一种新型多层热沉材料及其制备方法。

背景技术

热沉材料是微电子领域的关键材料之一，随着微电子器件功率不断的增大，对热沉材料的要求也越来越高。既要求有良好的导热性能，同时又要有与芯片匹配的膨胀系数。

铜具有高的导热性能且易于加工，但是铜热膨胀系数大，因此不合适单独作为热层材料。钼或者钨具有较低的热膨胀系数，且导热性能较好。将铜和钨、钼结合，制备成钨铜合金、钼铜合金可得到既有较高导热性能，又有低膨胀系数的微电子热沉材料。将铜与钼或者钼铜合金结合，制备成铜-钼-铜或者铜-钼铜-铜三层复合材料，可适当提高材料的导热性能。但是该种三层结构的热沉材料，其铜的含量不能过高，否则会提高热膨胀系数。这使得多层热沉材料导热高的优势没有完成发挥。

总之，现有技术无法使热沉材料具有高导热性，同时具有合适的膨胀系数。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高热沉材料的导热性，同时具有合适的膨胀系数。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型多层热沉材料，所述新型多层热沉材料包括至少3层高导热层、至少2层低膨胀系数层，形成高导热层与低膨胀系数层交替叠加的结构。

优选地，所述高导热层由导热系数为100w/(m*k)-500w/(m*k)的材料制成。

优选地，所述低膨胀系数层为钼层、钼铜层、钨铜层、钨或层可伐金层。

优选地，所述高导热层比所述低膨胀系数层多一层。

一种新型多层热沉材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备三层热沉坯料，高导热层-低膨胀系数层-高导热层；

（2）将所述三层热沉坯料加工到一定的厚度，并进行表面清洗；

（3）将清洗好的三层热沉坯料，按照需要的层数进行叠加,并放入高温模具中，在高温下向模具加压，使材料在叠加方向上受到压力，产生变形，界面之间贴紧；并在高温下保温一定时间，使材料相互扩散，形成冶金结合面；

（4）对步骤（3）得到的坯料进行冷轧。

（三）有益效果

本发明提供了一种新型多层热沉材料及其制备方法，本发明的多层热沉材料的导热性能可提高10%-40%；对于9层的铜-钼叠加的热沉材料其热导系数可达300w/（m·K），热膨胀系数为6.9x10^-6/K，热导进一步提高，同时热膨胀系数维持与芯片相匹配，并且制备工艺简单，成本低，适合大批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的层数为5的新型多层热沉材料结构示意图。

图2是本发明的层数为9的新型多层热沉材料结构示意图。

图例说明：

1、高导热层；2、低膨胀系数层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图1是本发明的层数为5的新型多层热沉材料结构示意图；图2是本发明的层数为9的新型多层热沉材料结构示意图。本发明的新型多层热沉材料包括至少3层高导热层1、至少2层低膨胀系数层2，形成高导热层与低膨胀系数层交替叠加的结构，图1中高导热层为3层，低膨胀系数层为2层；图2中高导热层为5层，低膨胀系数层为4层。

高导热层由导热系数为100w/(m*k)-500w/(m*k)的材料制成，例如铜、铝、银等；低膨胀系数层为钼层、钼铜层、钨铜层、钨或层可伐金层。高导热层比所述低膨胀系数层多一层。

本发明的新型多层热沉材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备三层热沉坯料，高导热层-低膨胀系数层-高导热层，例如通过轧制方法制备铜-钼-铜、铜-钼铜-铜或者铜-钨铜-铜；

（2）将所述三层热沉坯料加工到一定的厚度，并进行表面清洗；

（3）将清洗好的三层热沉坯料，按照需要的层数进行叠加,并放入高温模具中，在高温下向模具加压，使材料在叠加方向上受到大的压力，产生变形，界面之间贴紧；并在高温下保温一定时间，使材料相互扩散，形成冶金结合面。

（4）当材料形成冶金结合面后，为保证结合力，需对坯料进行轧制，以进一步提高界面结合力。

本发明新型多层热沉材料及其制备方法实施例一：

高导热层采用铜，低膨胀层采用钼，制成2.0mm厚度的5层铜-钼多层热沉材料，其热导系数为270w/（m·K），热膨胀系数为6.2x10^-6/K。其制备工艺如下：将2块2.0mm的三层铜-钼-铜坯料放入适当浓度的硫酸溶液中清洗，将表面的氧化物和油污洗净；然后将清洗好的2块三层铜-钼-铜坯料叠加，放置在特制的热压退火炉中；加热温度为800℃，并给坯料上下两个面施加100MPa的压强，保温120分钟；冷却后对复合坯料进行冷扎，每道轧制0.5mm，直至将坯料轧制到2mm。

本发明新型多层热沉材料及其制备方法实施例二：

高导热层采用铜，低膨胀层采用钼铜合金，制成2.0mm厚度的5层铜-钼铜多层热沉材料，其热导系数为290w/（m·K），热膨胀系数为6.9x10^-6/K。其制备工艺如下：将2块2.0mm的三层铜-钼铜-铜坯料放入适当浓度的硫酸溶液中清洗，将表面的氧化物和油污洗净；然后将清洗好的2块三层铜-钼-铜坯料叠加，放置在特制的热压退火炉中；加热温度为800℃，并给坯料上下两个面施加100MPa的压强，保温120分钟；冷却后对复合坯料进行热扎，每道轧制0.2mm，直至将坯料轧制到2mm。

本发明新型多层热沉材料及其制备方法实施例三：

高导热层采用铜，低膨胀层采用钼，制成2.0mm厚度的9层铜-钼多层热沉材料，其热导系数为300w/（m·K），热膨胀系数为6.9x10^-6/K。其制备工艺如下：将4块1.0mm的三层铜-钼-铜坯料放入适当浓度的硫酸溶液中清洗，将表面的氧化物和油污洗净；然后将清洗好的4块三层铜-钼-铜坯料叠加，放置在特制的热压退火炉中；加热温度为800℃，并给坯料上下两个面施加100MPa的压强，保温120分钟；。冷却后对复合坯料进行冷扎，每道轧制0.5mm，直至将坯料轧制到2mm。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种新型多层热沉材料，其特征在于，所述新型多层热沉材料包括至少3层高导热层、至少2层低膨胀系数层，形成高导热层与低膨胀系数层交替叠加的结构。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述高导热层由导热系数为100w/(m*k)-500w/(m*k)的材料制成。

3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述低膨胀系数层为钼层、钼铜层、钨铜层、钨层或可伐金层。

4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述高导热层比所述低膨胀系数层多一层。

5.一种新型多层热沉材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备三层热沉坯料，结构为高导热层-低膨胀系数层-高导热层；

（2）将所述三层热沉坯料加工到一定的厚度，并进行表面清洗；

（3）将清洗好的三层热沉坯料，按照需要的层数进行叠加,并放入高温模具中，在高温下向模具加压，使材料在叠加方向上受到压力，产生变形，界面之间贴紧；并在高温下保温一定时间，使材料相互扩散，形成冶金结合面；

（4）对步骤（3）得到的坯料进行冷轧。

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