CN107611040A - 铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺，对在压铸过程中覆盖铝金刚石表面的铜箔及陶瓷材料进行事先的刻痕处理，然后把它包裹在金刚石粉料外侧，使其高压压铸渗铝的过程中，很好地与铝金刚石复合材料形成牢固的连接，提高了多芯片组件和大电流功率模块的工作可靠性，满足散热基底材料表面的焊接、机械加工和涂镀处理等需求。通过采用经过刻痕处理的铜箔、陶瓷材料包裹在金刚石粉料外侧，在压铸过程中铜箔、陶瓷材料与铝金刚石复合材料基体实现牢固的连接。

Description

铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺

技术领域

本发明涉及功率半导体器件制造工艺技术领域，尤其是一种铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺，所得的是铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔，同时在芯片焊接区域镶嵌氮化铝等陶瓷材料的大功率半导体模块的散热器件。

背景技术

大功率半导体器件是航天航空、国防建设、民用交通、输变电系统等的核心部件。随着功率半导体器件的发展以及各方面技术的不断提升，其应用电压范围不断提高，频率范围不断扩大。功率半导体器件在工作过程中会产生一定损耗，当每个功率半导体器件芯片在工作过程中产生的损耗集中在极小的面积向外传播时，这样的高热流密度对器件的安全有效地工作来说是一个巨大的挑战。所以，功率半导体器件需要一定的封装形式以便进行散热，保证一定机械强度、保持各组件之间的电绝缘和减少环境对器件影响以保证器件工作的可靠性。

目前高端的大功率半导体器件已开始采用铝金刚石复合材料作散热基底材料。铝金刚石复合材料具有热导性能好、热膨胀系数可调、质量轻、刚度大、机械强度适中等优异性能，已成为大功率半导体器件最理想的散热基底材料。通常功率半导体器件采用的散热材料都是非绝缘材料，所以目前功率半导体器件采用由不同材料通过多次焊接而连接在一起的多层结构，包含芯片、绝缘衬底、散热基板以及各层之间的焊接材料等。由于热膨胀性能的差别，功率半导体器件在打开、导通、关断过程中功率损耗引起的结温变化、环境温度和湿度等的变化过程中，会引起各组成材料永久性移动或变形，最终造成功率半导体器件的失效。

功率半导体器件中的绝缘衬底通常采用陶瓷材料，它起着绝缘、联结芯片和散热基板的作用，目前功率半导体器件结构是将芯片、绝缘衬底、散热基板通过焊接的方式联结和固定在一起。由于焊接材料大都为导热性能较差的材料，因此多次焊接会造成热传导性能及结构可靠性的下降，如果能减少多层结构的层数，特别是减少焊接工序次数，这将降低器件制造工艺的复杂程度、节约生产成本，并大大提高功率半导体器件的工作可靠性。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺，从而满足散热基底材料表面的焊接、机械加工和涂镀处理等需求。

本发明所采用的技术方案如下：

一种铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺，包括如下操作步骤：

第一步：将待加工、厚度为0.1-0.5mm的铜箔固定在机床工作台上；

第二步：在铜箔的上方，装有两组刀排，分别为第一刀排座，所述第一刀排座上平行间隔安装有多个第一刻刀，还设置有与第一刀排座平行的第二刀排座，所述第二刀排座上平行间隔安装有多个第二刻刀；

第三步：机床工作台带着铜箔沿着X方向做直线运动，使两组刀排在铜箔表面上形成两组具有朝向不同、彼此相间的倒齿状第一刻痕；铜箔表面切入刻痕的深度为0.05-0.2mm；

第四步：第一刻痕加工完毕后，将专用的机床工作台连同铜箔一起旋转90度，对铜箔表面进行与第三步相同的刻痕加工，在该表面加工出第二刻痕；铜箔只需一面实施刻痕加工；

第五步：根据压铸散热基板的尺寸要求裁剪两片铜箔材料，其中一片将芯片焊接区域的铜箔材料切割掉；对两片铜箔表面进行防氧化处理；

第六步：将待加工、厚度为0.1-0.5mm的陶瓷片固定在机床工作台上；

第七步：用粗颗粒的立式或卧式金刚石砂轮在陶瓷片的一个表面进行磨削，使砂轮的金刚石颗粒分别沿X、Y方向在陶瓷片表面刻出深度为0.03-0.2mm，深浅不一，方向不同的划痕；

第八步：将一面经刻痕后的陶瓷片裁剪成芯片焊接区域的尺寸大小，并镶嵌到铜箔的镂空区域处；铜箔和陶瓷片有刻痕面的朝向一致；

第九步：用铝粉和粘接剂调和的浆料填充到铜箔与陶瓷片的联结缝隙中；

第十步：将一片镶嵌陶瓷片的铜箔上边部向未刻痕的一侧折弯2-10mm；再将另一片没有镶嵌陶瓷片的铜箔上边部向未刻痕的一侧折弯2-10mm；

第十一步：将一片镶嵌陶瓷片的铜箔和一片没有镶嵌陶瓷片的铜箔分别装入压铸散热基板的成形模具中，两片铜箔未刻痕面朝向成形模具外侧，金刚石粉料装入两铜箔间的空腔内，刻痕处理过的陶瓷材料面和铜箔面朝向金刚石粉料，振动压实金刚石粉料，使金刚石粉料嵌入陶瓷片和铜箔的刻痕内，装好粉料的成形模具放到预热炉中加热，预热炉的温度设定为450度-750度；

第十二步：当装有粉料的成形模具预热好后，将成形模具放入压铸套模内，然后将熔化的铝液注入套模，压头下降挤压铝液，使铝溶液渗透入金刚石粉料的间隙中，同时也渗入陶瓷片和铜箔刻痕的凹槽中；当铝液凝固以后，陶瓷片表面、铜箔表面与压铸铝就形成了犬牙交错的咬合状态，铝金刚石复合基体材料的一个表面就形成了一层连接牢固的纯铜合金层，另一表面就覆盖了芯片焊接区域镶嵌陶瓷片的铜箔。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第二步中，第一刻刀与陶瓷片表面的夹角为45°-75°，第二刻刀与陶瓷片表面的夹角为105°-135°。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过采用经过刻痕处理的铜箔、陶瓷材料包裹在金刚石粉料外侧，在压铸过程中铜箔、陶瓷材料与铝金刚石复合材料基体实现牢固的连接。

作为功率半导体器件的散热基板材料，铝金刚石复合材料基板的一个表面需要与绝缘陶瓷材料进行焊接，以吸收来自芯片的热量，而另一表面须与金属散热器等联结，以传出和散发热量，故其表面必须有较高的平整度加工要求和实施镀镍等涂镀加工的要求，而金刚石是一种高硬材料，对其进行切削加工非常困难，且目前在铝金刚石复合材料表面也很难直接实现镀镍等涂镀加工，因此需要在铝金刚石表面牢固地形成一层既可进行切削加工又能实现涂镀加工的金属。

铜是一种导热性能很好的金属材料，其覆盖的铝金刚石复合材料表面，能充分发挥铝金刚石材料优异的导热性能。若能在铝金刚石散热基板的芯片焊接区域直接镶嵌氮化铝等陶瓷材料，将陶瓷片与铝金刚石材料紧密地压铸成一体，这样既能减少焊接层导热性能不良对芯片散热的影响，又可简化制造工艺，节约生产成本。本申请人提供一种在铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔，并在芯片焊接区域镶嵌氮化铝等陶瓷材料的方法，对在压铸过程中覆盖铝金刚石表面的铜箔及陶瓷材料进行事先的刻痕处理，然后把它包裹在金刚石粉料外侧，使其高压压铸渗铝的过程中，很好地与铝金刚石复合材料形成牢固的连接，提高了多芯片组件和大电流功率模块的工作可靠性，满足散热基底材料表面的焊接、机械加工和涂镀处理等需求。

附图说明

图1为本发明的第二步操作步骤的结构示意图。

图2为本发明的第五步操作步骤的结构示意图。

图3为本发明的第七步操作步骤的结构示意图。

图4为本发明铝箔上安装陶瓷片的结构示意图。

图5为图4中A部的局部放大图。

图6为本发明铝箔上安装陶瓷片后的结构示意图。

图7为本发明的第十步操作步骤的结构示意图。

图8为本发明的第十一步操作步骤的结构示意图。

图9为本发明的第十二步操作步骤的结构示意图。

其中：1、第一刀排座；2、第一刻刀；3、第二刀排座；4、第二刻刀；5、刻痕；6、铜箔；7、工作台；8、镂空区域；9、陶瓷片；10、金刚石砂轮；11、成形模具；12、金刚石粉料；13、压头；14、铝液；15、套模。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图9所示，本实施例的铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺，包括如下操作步骤：

第一步：将待加工、厚度为0.1-0.5mm的铜箔6固定在机床工作台7上；

第二步：在铜箔6的上方，装有两组刀排，分别为第一刀排座1，第一刀排座1上平行间隔安装有多个第一刻刀2，还设置有与第一刀排座1平行的第二刀排座3，第二刀排座3上平行间隔安装有多个第二刻刀4；

第三步：机床工作台7带着铜箔6沿着X方向做直线运动，使两组刀排在铜箔6表面上形成两组具有朝向不同、彼此相间的倒齿状第一刻痕5；铜箔6表面切入刻痕的深度为0.05-0.2mm；

第四步：第一刻痕5加工完毕后，将专用的机床工作台7连同铜箔6一起旋转90度，对铜箔6表面进行与第三步相同的刻痕加工，在该表面加工出第二刻痕；铜箔6只需一面实施刻痕加工；

第五步：根据压铸散热基板的尺寸要求裁剪两片铜箔6材料，其中一片将芯片焊接区域的铜箔6材料切割掉；对两片铜箔6表面进行防氧化处理；

第六步：将待加工、厚度为0.1-0.5mm的陶瓷片9固定在机床工作台7上；

第七步：用粗颗粒的立式或卧式金刚石砂轮10在陶瓷片9的一个表面进行磨削，使砂轮的金刚石颗粒分别沿X、Y方向在陶瓷片9表面刻出深度为0.03-0.2mm，深浅不一，方向不同的划痕；

第八步：将一面经刻痕后的陶瓷片9裁剪成芯片焊接区域的尺寸大小，并镶嵌到铜箔6的镂空区域8处；铜箔6和陶瓷片9有刻痕面的朝向一致；

第九步：用铝粉和粘接剂调和的浆料填充到铜箔6与陶瓷片9的联结缝隙中；

第十步：将一片镶嵌陶瓷片9的铜箔6上边部向未刻痕的一侧折弯2-10mm；再将另一片没有镶嵌陶瓷片9的铜箔6上边部向未刻痕的一侧折弯2-10mm；

第十一步：将一片镶嵌陶瓷片9的铜箔6和一片没有镶嵌陶瓷片9的铜箔6分别装入压铸散热基板的成形模具11中，两片铜箔6未刻痕面朝向成形模具11外侧，金刚石粉料12装入两铜箔6间的空腔内，刻痕处理过的陶瓷材料面和铜箔6面朝向金刚石粉料12，振动压实金刚石粉料12，使金刚石粉料12嵌入陶瓷片9和铜箔6的刻痕内，装好粉料的成形模具11放到预热炉中加热，预热炉的温度设定为450度-750度；

第十二步：当装有粉料的成形模具11预热好后，将成形模具11放入压铸套模15内，然后将熔化的铝液14注入套模15，压头13下降挤压铝液14，使铝溶液渗透入金刚石粉料12的间隙中，同时也渗入陶瓷片9和铜箔6刻痕的凹槽中；当铝液14凝固以后，陶瓷片9表面、铜箔6表面与压铸铝就形成了犬牙交错的咬合状态，铝金刚石复合基体材料的一个表面就形成了一层连接牢固的纯铜合金层，另一表面就覆盖了芯片焊接区域镶嵌陶瓷片9的铜箔6。

第二步中，第一刻刀2与陶瓷片9表面的夹角为45°-75°，第二刻刀4与陶瓷片9表面的夹角为105°-135°。

通过上述步骤，可以方便的完成铝金刚石复合材料覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的加工。

作为功率半导体器件的散热基板材料，铝金刚石复合材料基板的一个表面需要与绝缘陶瓷材料进行焊接，以吸收来自芯片的热量，而另一表面须与金属散热器等联结，以传出和散发热量，故其表面必须有较高的平整度加工要求和实施镀镍等涂镀加工的要求，而金刚石是一种高硬材料，对其进行切削加工非常困难，且目前在铝金刚石复合材料表面也很难直接实现镀镍等涂镀加工，因此需要在铝金刚石表面牢固地形成一层既可进行切削加工又能实现涂镀加工的金属。

铜是一种导热性能很好的金属材料，其覆盖的铝金刚石复合材料表面，能充分发挥铝金刚石材料优异的导热性能。若能在铝金刚石散热基板的芯片焊接区域直接镶嵌氮化铝等陶瓷材料，将陶瓷片9与铝金刚石材料紧密地压铸成一体，这样既能减少焊接层导热性能不良对芯片散热的影响，又可简化制造工艺，节约生产成本。本申请人提供一种在铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔6，并在芯片焊接区域镶嵌氮化铝等陶瓷材料的方法，对在压铸过程中覆盖铝金刚石表面的铜箔6及陶瓷材料进行事先的刻痕处理，然后把它包裹在金刚石粉料12外侧，使其高压压铸渗铝的过程中，很好地与铝金刚石复合材料形成牢固的连接，提高了多芯片组件和大电流功率模块的工作可靠性，满足散热基底材料表面的焊接、机械加工和涂镀处理等需求。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (2)

1.一种铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷材料的工艺，其特征在于：包括如下操作步骤：

第一步：将待加工、厚度为0.1-0.5mm的铜箔(6)固定在机床工作台(7)上；

第二步：在铜箔(6)的上方，装有两组刀排，分别为第一刀排座(1)，所述第一刀排座(1)上平行间隔安装有多个第一刻刀(2)，还设置有与第一刀排座(1)平行的第二刀排座(3)，所述第二刀排座(3)上平行间隔安装有多个第二刻刀(4)；

第三步：机床工作台(7)带着铜箔(6)沿着X方向做直线运动，使两组刀排在铜箔(6)表面上形成两组具有朝向不同、彼此相间的倒齿状第一刻痕(5)；铜箔(6)表面切入刻痕的深度为0.05-0.2mm；

第四步：第一刻痕(5)加工完毕后，将专用的机床工作台(7)连同铜箔(6)一起旋转90度，对铜箔(6)表面进行与第三步相同的刻痕加工，在该表面加工出第二刻痕；铜箔(6)只需一面实施刻痕加工；

第五步：根据压铸散热基板的尺寸要求裁剪两片铜箔(6)材料，其中一片将芯片焊接区域的铜箔(6)材料切割掉；对两片铜箔(6)表面进行防氧化处理；

第六步：将待加工、厚度为0.1-0.5mm的陶瓷片(9)固定在机床工作台(7)上；

第七步：用粗颗粒的立式或卧式金刚石砂轮(10)在陶瓷片(9)的一个表面进行磨削，使砂轮的金刚石颗粒分别沿X、Y方向在陶瓷片(9)表面刻出深度为0.03-0.2mm，深浅不一，方向不同的划痕；

第八步：将一面经刻痕后的陶瓷片(9)裁剪成芯片焊接区域的尺寸大小，并镶嵌到铜箔(6)的镂空区域(8)处；铜箔(6)和陶瓷片(9)有刻痕面的朝向一致；

第九步：用铝粉和粘接剂调和的浆料填充到铜箔(6)与陶瓷片(9)的联结缝隙中；

第十步：将一片镶嵌陶瓷片(9)的铜箔(6)上边部向未刻痕的一侧折弯2-10mm；再将另一片没有镶嵌陶瓷片(9)的铜箔(6)上边部向未刻痕的一侧折弯2-10mm；

第十一步：将一片镶嵌陶瓷片(9)的铜箔(6)和一片没有镶嵌陶瓷片(9)的铜箔(6)分别装入压铸散热基板的成形模具(11)中，两片铜箔(6)未刻痕面朝向成形模具(11)外侧，金刚石粉料(12)装入两铜箔(6)间的空腔内，刻痕处理过的陶瓷材料面和铜箔(6)面朝向金刚石粉料(12)，振动压实金刚石粉料(12)，使金刚石粉料(12)嵌入陶瓷片(9)和铜箔(6)的刻痕内，装好粉料的成形模具(11)放到预热炉中加热，预热炉的温度设定为450度-750度；

第十二步：当装有粉料的成形模具(11)预热好后，将成形模具(11)放入压铸套模(15)内，然后将熔化的铝液(14)注入套模(15)，压头(13)下降挤压铝液(14)，使铝溶液渗透入金刚石粉料(12)的间隙中，同时也渗入陶瓷片(9)和铜箔(6)刻痕的凹槽中；当铝液(14)凝固以后，陶瓷片(9)表面、铜箔(6)表面与压铸铝就形成了犬牙交错的咬合状态，铝金刚石复合基体材料的一个表面就形成了一层连接牢固的纯铜合金层，另一表面就覆盖了芯片焊接区域镶嵌陶瓷片(9)的铜箔(6)。

2.如权利要求1所述的铝金刚石复合材料表面覆盖铜箔同时镶嵌陶瓷片(9)的工艺，其特征在于：所述第二步中，第一刻刀(2)与陶瓷片(9)表面的夹角为45°-75°，第二刻刀(4)与陶瓷片(9)表面的夹角为105°-135°。