CN108352370A - 用于高功率元件的散热板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及散热板，其具有低热膨胀系数和高热导率，使得该散热板可以适当地用于使用GaN型化合物半导体的高功率半导体元件中的散热用基板。本发明的散热板的特征为包含核心层和通过层积在核心层的顶面和底面而形成的两个覆盖层的散热板，其中，所述核心层由在Cu基质中复合有碳相的复合材料构成，所述覆盖层由Mo‑Cu合金构成。

Description

用于高功率元件的散热板
技术领域
本发明涉及散热板，更具体而言，涉及可以适当地用于使用化合物半导体的高功率半导体元件的包装的散热板，其中，该散热板具有与如氧化铝等陶瓷材料相同或相似的热膨胀系数，使得即便用陶瓷材料进行连接也能够建立令人满意的连接，同时可以实现能够将高功率半导体元件产生的大量热量快速排出到外部的高热导率。
背景技术
近年来，使用GaN型化合物半导体的高功率放大元件作为信息和通讯以及国防领域的核心技术引人注意。
这样的高功率电子元件或光学元件与一般元件相比产生大量的热，需要可以有效排出此种大量热的封装技术。
目前，在使用GaN型化合物半导体的高功率半导体元件中使用具有比较令人满意的热导率和低热膨胀系数的金属类复合材料，如W/Cu双层复合材料，Cu和Mo的两相复合材料，Cu/Mo/Cu三层复合材料，以及Cu/Cu-Mo合金/Cu三层材料。
不过，由于这样的复合材料的热导率为至多约250W/mK，不能达到数百瓦级功率晶体管需要的300W/mK以上的高热导率，因此复合材料受到限制：在如数百瓦级功率晶体管等元件中的应用较难。
此外，用于与如氧化铝(Al2O3)等陶瓷材料接合的钎焊工艺在制造半导体元件的工艺中是必要的，因为此钎焊接合工艺在至少800℃的高温进行，在此钎焊接合过程中由于金属复合材料基底与陶瓷材料的热膨胀系数差而发生扭曲或损伤。因此，也存在限制：此扭曲和损伤的发生在元件中引起缺陷。
发明内容
技术问题
本发明用于克服上述通常技术的限制，本发明的一个目的是提供一种散热板，其不仅在板的平面方向上具有至多9×10-6/K的低热膨胀系数使得当散热板与陶瓷材料(特别是氧化铝)接合时不发生扭曲或损伤，而且在板的厚度方向上具有至少300W/mK(更理想地，至少350W/mK)的高热导率，因此可以适合用于高功率元件，如数百瓦级功率晶体管。
技术方案
为了克服这样的限制，本发明提供了一种高功率元件用散热板，所述散热板包含核心层和通过层积在核心层的顶面和底面上而形成的两个覆盖层，其中，核心层由Cu基质中复合有碳相的复合材料构成，覆盖层由Mo-Cu合金构成，所述散热板的厚度方向上的热导率为至少300W/mK，所述散热板在与厚度方向垂直的方向上的热膨胀系数为至多9×10-6/K。
有益效果
本发明的散热板可以实现9×10-6/K以下的板的平面方向上的低热膨胀系数，同时还获得至少300W/mK的板的厚度方向上的高热导率，在更示例性的实施方式中，其为至少350W/mK，因此可以适合用作需要与具有低热膨胀系数的陶瓷材料(如氧化铝)接合的高功率半导体元件中的散热板。
附图说明
图1示意性描绘了按照本发明的实施例1制造的散热板的厚度方向上的截面结构。
图2示意性描绘了按照本发明的实施例2制造的散热板的厚度方向上的截面结构。
图3是本发明中使用的石墨粉末的扫描电子显微图。
图4是按照本发明的实施例1制造的散热板的厚度方向截面的扫描电子显微图。
图5是散热板中的Cu-石墨复合相的扩大图像。
图6是按照本发明的实施例1制造的散热板中的Cu-石墨复合相的界面的透射电子显微图。
图7是按照本发明的实施例2制造的散热板的厚度方向截面的扫描电子显微图。
图8是按照本发明的实施例2制造的散热板的厚度方向上的覆盖层截面的扫描电子显微图。
图9是按照本发明的实施例2制造的散热板中的Cu-石墨复合相的界面的透射电子显微图。
图10是按照本发明的实施例3制造的散热板中的Cu-石墨复合相的界面的透射电子显微图。
图11显示测量热导率随石墨粉末含量(体积％)和烧结温度(℃)的变化的结果。
图12显示测量热膨胀系数随石墨粉末含量(体积％)和烧结温度(℃)的变化的结果。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细说明。不过，本发明可以以不同形式实施，不应被解释为局限于本文所述实施方式。相反，提供这些实施方式以使本公开充分完整，将向本领域技术人员完全揭示本发明的范围。
如图1所示，本发明的散热板的特征在于包含核心层和通过层积在核心层的顶面和底面上而形成的两个覆盖层，其中，核心层由在Cu基质中复合有碳相的复合材料构成，覆盖层由Mo-Cu合金构成。在核心层中，石墨相取向为石墨相的较长长度、即长轴平行于厚度方向，在所述Cu基质与所述碳相之间的界面的至少一部分中形成Cu-C扩散区至1-30nm的厚度，所述散热板的厚度方向上的热导率为至少300W/m，与厚度方向垂直的方向上的热膨胀系数为9×10-6/K。
在本发明中，石墨相取向为平行于厚度方向指的是下述状态：石墨相取向为长轴方向(其中石墨相颗粒的长度较长)之间的平均角为至多45°、理想地为至多30°、更理想地为至多20°，也就是说，石墨颗粒取向为长度方向沿散热板的厚度方向对齐。
而且，本发明的散热板的厚度方向热导率更理想地为至少350W/mK。
此外，如图2所示，覆盖层可以形成为两层以上的层积结构，邻近核心层形成的第一层可以由Mo-Cu合金构成，不接触核心层的第二层可以由Cu构成。
此外，Mo-Cu合金可以为相对于合金的总重量包含10-55重量％的Cu的合金。
而且，Cu可以为纯Cu(包含不可避免的杂质)或包含至多20重量％的非Cu合金化元素的Cu合金。
此外，在核心层中，通过Cu和C的扩散形成的Cu-C扩散区在Cu和碳相的界面的至少一部分或全部中存在。当此扩散区的宽度小于1nm时，散热板的热导率较差，当扩散区的宽度超过30nm时，缺陷形成在空隙集中并形成在由于扩散原子而废弃的部分中，因而热导率较差。因此，理想的是扩散区形成至在与界面垂直的方向上具有1-30nm的宽度。对于热导率和热膨胀系数，Cu-C扩散区的宽度更理想为5-20nm。
而且，碳相可以包含石墨、金刚石、石墨烯或类金刚石膜，碳相形式可以由完全板状颗粒以及具有特定表面的不规则形状颗粒(如鳞片状或薄片状颗粒)构成。
而且，Cu基质中复合的碳相理想地为复合相总体积的45-70体积％。这是因为，当碳相的混合量小于45体积％时，难以在整个散热板上在其平面方向上实现9×10-6/K以下的低热膨胀系数，当碳相的混合量超过70体积％时，存在限制：与覆盖层接合时的覆盖层的粘着性降低。更理想的是，碳相的混合量为50-65体积％。
此外，核心层的厚度可以理想地为散热板的总厚度的60-90％。这是因为，当核心层的厚度小于散热板的总厚度的60％时，表现出300W/mK以下的低热导率，当超过90％时，表现出9.5×10-6/K以上的过高热膨胀系数。
而且，当形成在核心层的一侧上的覆盖层由Cu和Mo-Cu合金的双层结构构成时，由Cu构成的层的厚度理想地为散热板总厚度的5-10％。这是因为，当由Cu构成的层的厚度小于散热板总厚度的5％时，表面部分的热扩散较低，在表面部分上加载如GaN或GaAs等贴片时表面不稳定性可能升高，当由Cu构成的层的厚度超过散热板的总厚度的10％时，表现出9.0×10-6/K的较大热膨胀系数。此外，形成在核心层的一侧上的由Mo-Cu合金构成的层的厚度也理想地为散热板总厚度的5-10％。这是因为，当由Mo-Cu合金构成的层的厚度小于散热板总厚度的5％时，表现出9.0×10-6/K的高平面方向热膨胀系数，当超过10％时，在垂直方向上表现出300W/mK以下的低热导率。
此外，作为形成散热板的方法，可以使用下述方法，包括(a)使用由Mo-Cu合金构成的板形成第一层的步骤，(b)在第一层上形成第二层的步骤，所述第二层使用由垂直取向的碳相和Cu构成的板形成，(c)在第二层上形成第三层的步骤，所述第三层使用Mo-Cu合金板形成，和(d)接合层积材料的步骤。
此外，为了形成包含由两层以上的层积结构构成的覆盖层的散热板，可以使用下述方法，包括(a)使用Cu板形成第一层的步骤，(b)使用Mo-Cu板形成第二层的步骤，(c)使用由垂直取向的碳相和Cu构成的板形成第三层的步骤，(d)在第三层上形成第四层的步骤，所述第四层使用Mo-Cu合金板形成，(e)使用Cu板形成第五层的步骤，和(f)接合层积材料的步骤。
此外，通过在将由第一至第三层或第一至第五层构成的单元板层积为多层之后分离各单元板的方法，可以提高工艺的效率。
分离单元板的方法可以通过下述过程实现：在通过重复进行上述步骤(a)至(c)多次来实施层积过程之后，进行上述操作(d)，并进行切割以包含第一至第三层。此处，切割过程可以通过如线锯等设备实现，但不限于此，能够切割按照本发明制造的板的方法可以无限制地使用。
同样，在包含由两层以上的层积结构构成的覆盖层的散热板的情况中，在步骤(a)至(e)之后，可以通过切割过程分离单元板。
此外，分离单元板的另一方法可以包括在步骤(a)至(e)之后层积碳层，然后，在重复进行步骤(a)至(c)和通过步骤(d)烧结之后，通过烧结的碳层分离单元板。
同样，在包含由两层以上的层积结构构成的覆盖层的散热板的情况中，在步骤(a)至(e)之后，可以层积碳层，然后可以重复进行步骤(a)至(e)，可以通过步骤(f)进行烧结，并且可以通过未烧结的碳层分离单元板。
由此，使用碳层的工艺能够形成板而不使用需要精密制造的切割工艺，因此具有减少单元板的制造时间的优点。
碳层可以例如由粘合剂混合物构成，粘合剂混合物由石墨粉末和形成石墨粉末的有机材料构成。
对于具有单覆盖层的散热板中的第一层和第三层或包含由两层以上的层积结构构成的覆盖层的散热板中的第一层、第二层、第四层和第五层，也可以使用层积相应的金属板的方法，选择性地，金属板也可以通过镀覆技术形成。
在接合步骤中，接合温度理想地为800-1050℃。这是因为，当接合温度低于800℃时，接合不能有效进行，由此可能表现出低热导率或可能存在覆盖层和核心层之间的结合强度弱化的限制，并且当接合温度超过1050℃时，在接合过程中可能发生核心层中包含的Cu熔化，使得Cu和碳相分离或在固化过程中发生快速收缩，从而形成如裂纹等缺陷，结果，导致热导率快速下降。更理想地，接合温度为910-970℃。
Cu涂层理想地形成在用于形成核心层的碳相粉末的表面上，Cu涂层可以使用例如镀覆等方法形成。由此，Cu涂覆的碳相粉末不仅对于在烧结后的复合相中的Cu基质和碳相之间形成合适的界面是理想的，而且有助于维持核心层和覆盖层之间的结合强度，从而在使用散热板的过程中发挥防止核心层和覆盖层之间的界面处发生剥离的作用。
[实施例1]
在模具中形成板状第一层，其中层积50-100μm厚的Mo-Cu(64重量％Mo-36重量％Cu)板。
另外，在本发明的实施例1中，使用通过烧结Cu镀覆的石墨烯粉末得到的板状体形成由Cu和石墨烯相构成的第二层。
使用的石墨烯粉末形成为鳞片状，如图3所示，平均粒径为约130μm。在石墨烯粉末的表面上形成Cu涂层，从而确保通过烧结形成核心层时，石墨烯粉末和Cu基质之间的界面结合强度以及核心层和位于核心层上下的覆盖层之间的结合强度得以提高。
在Cu涂层的形成中使用无电镀覆法。具体而言，通过在300-400℃加热石墨烯粉末约30-90分钟来进行石墨烯粉末的活化处理，相对于石墨烯粉末的总重量添加3重量％的冰醋酸以促进活化处理的石墨烯粉末上的Cu镀层的形成，然后通过混合20重量％的石墨烯粉末和冰醋酸的混合物、70重量％的CuSO4和10重量％的水制得浆液。向由此得到的浆液添加作为置换溶剂的电负性大于Cu盐水溶液中的金属且尺寸约0.7mm的Zn、Fe或Al颗粒物之后，使得颗粒物的含量相对于浆液的总重量为约20重量％，之后，在室温下以约25rpm的速率进行搅拌，从而在石墨烯粉末的表面上形成Cu镀层。此外，进行钝化以防止完成无电镀覆的Cu镀覆的石墨烯粉末在大气中腐蚀，对于钝化，将Cu镀覆的石墨烯粉末浸入通过以75:10:10:5的重量比混合蒸馏水、H2SO4、H3PO4和酒石酸得到的溶液中20分钟。最后，用水洗涤以除去石墨烯粉末表面上的残留酸，然后在大气中在50-60℃加热干燥，从而制得表面镀覆有约50体积％的Cu石墨烯粉末。
以这种方式，通过在950℃的温度和50MPa的压力经火花等离子体烧结法烧结Cu镀覆的石墨粉末而制造7-10mm厚板状体相材料。通过层积10层制得的板状体制得厚度为100mm的体相材料。通过使用多线锯切割体相材料至1mm的厚度而将制得的体相材料制成1mm厚板状体。在这种板状体的情况中，鳞片状石墨颗粒处于平行于板状体的厚度方向取向的状态，形成第二层作为这种Cu-石墨复合板。
此外，在模具中形成板状第三层，其中层积100-150μm的Mo-Cu(64重量％Mo-36重量％Cu)板。
通过重复上述过程以层积单元板，从而得到第一至第三层被重复层积10次以上的板。
通过进行压接(将如此获得的板在施加约50MPa的压力的同时加热至950℃)1-2小时得到最终体相材料，其中第一至第三层接合为多层。
通过使用金刚石线切割器切割如此获得的体相材料中的单元板的边界部分，得到复合板，其中Cu和石墨颗粒的复合相形成在板的中间(即核心层)，Mo-Cu的覆盖层形成在核心层的顶面和底面上。
[实施例2]
在模具中形成板状第一层，其中层积100-150μm厚的Cu板。
此外，在第一层上形成板状第二层，其中层积50-100μm厚的Mo-Cu(64重量％Mo-36重量％Cu)。
此外，在形成由Cu和石墨相构成的第三层时，使用按照与本发明实施例1相同的方法制造Cu镀覆的石墨粉末的板状体形成第三层。
此外，在第三层上形成板状第四层，其中层积50-100μm厚的Mo-Cu(64重量％Mo-36重量％Cu)。
此外，在第四层上形成板状第五层，其中层积100-150μm厚的Cu板。
在本发明的实施例2中，通过层积来使用Mo-Cu板或Cu板，不过第一层、第二层、第四层和第五层也可以通过压缩成型Mo-Cu或Cu粉末来形成。
通过如上重复单元板的层积过程，得到将第一至第五层重复层积至少5次的板状散热板。
通过进行压接(将如此获得的板在施加约50MPa的压力的同时加热至950℃)1-2小时得到最终体相材料，其中第一至第五层接合为多层。
通过使用金刚石线切割器切割如此获得的体相材料中的单元板的边界部分，得到复合板，其中Cu和石墨颗粒的复合相形成在板的中间(即核心层)，具有双层结构(Mo-Cu合金/Cu)的覆盖层形成在核心层的顶面和底面上。
[实施例3]
烧结过程以外的其他过程与本发明的实施例2同样地进行，通过以900℃的烧结温度、80MPa的烧结压力和20分钟的烧结时间进行核心材料的烧结过程而得到金属型复合板。
[实施例4]
烧结过程以外的其他过程与本发明的实施例2同样地进行，通过以850℃的烧结温度、80MPa的烧结压力和20分钟的烧结时间进行核心材料的烧结过程而得到金属型复合板。
图4是按照本发明的实施例1制造的散热板的厚度方向截面的扫描电子显微图。
如图4所示，不含石墨颗粒相且由Mo-Cu合金构成的覆盖层(图中的浅灰色部分)形成至按照本发明实施例1制造的散热板的顶面和底面的表面起约100μm的深度，在中间，石墨颗粒分布在Cu基质中的复合相形成至约1mm的厚度。此外，图5是Cu-石墨复合相的图像，经确认，石墨颗粒的长度方向与板的厚度方向平行对齐。
图6是按照本发明的实施例1制造的散热板中的Cu-石墨复合相的界面的透射电子显微图。
如图6所示，在复合相中存在的Cu-石墨颗粒的界面处形成Cu和碳已扩散的区域，经确认，该扩散区垂直于界面形成至约10nm的宽度。以外，观察到在实施例2中，扩散区形成至约10nm的宽度，这与实施例1相同。
如图7所示，不含石墨颗粒相且由Cu构成的区域形成至按照本发明实施例2制造的散热板的顶面和底面的表面起约50μm至约100μm的深度，由Mo-Cu形成的约50-100μm厚的区域形成在由Cu构成的区域之下，中间形成为形成Cu-C复合层的结构。
图8更详细地显示了按照本发明的实施例2制造的散热板中的覆盖层的结构。如图7的情况，覆盖层形成为Cu和Cu-Mo复合覆盖层。
图9是按照本发明的实施例2制造的散热板中的Cu-石墨复合相的界面的透射电子显微图。如图8所示，可以看见在复合相中存在的Cu-石墨颗粒的界面处形成Cu和碳扩散的区域。
图10是按照本发明的实施例3制造的散热板中的Cu-石墨复合相的界面的透射电子显微图。
如图10所示，在按照实施例3制造的Cu-石墨颗粒的界面处未观察到Cu和碳扩散到至少1nm的宽度的区域。而且，在按照实施例4制造的散热板中的Cu-石墨颗粒的界面处也未观察到Cu和碳扩散到至少1nm的宽度的区域。
下表1显示了按照本发明的实施例1-4制造的散热板的厚度方向热导率和与厚度方向垂直的平面方向的热膨胀率。
[表1]
如表1所示，本发明的实施例1和2不仅显示出350W/mK以上的热导率从而能够逸散高功率电子元件中产生的大量的热，而且可以保持9×10-6/K以下的低热膨胀系数，因此能够防止在制造半导体元件的工艺中与陶瓷材料接合的必要过程中发生扭曲或损伤。
同时，在实施例3和4的情况中，在Cu-石墨颗粒复合相中几乎观察不到Cu-C扩散相，结果，热导率在约340W/mK的水平，其低于实施例1和2，而热膨胀系数保持在9×10-6/K以下，从而显示出适合的散热，同时满足与陶瓷材料接合所需的低热膨胀系数。也就是说，实施例3和4可以适当地用于在需要比实施例1和2低的散热的情况中与陶瓷材料接合。
图11和12以图表显示热导率和热膨胀系数随石墨粉末含量和烧结温度的变化。
如图10和11所确认的，可以看到，为了满足数百瓦级功率晶体管中所需的高热导率和低热膨胀系数，至少50体积％的石墨含量是理想的，超过900℃的烧结温度是更理想的。
此外，本发明的实施例1至4的散热板使用Cu-石墨颗粒复合相，其中石墨颗粒涂覆有Cu，因此石墨颗粒与Cu基材之间的界面结合强度较高，核心层和由金属构成的覆盖层之间的结合强度可以保持较高，由此可以防止在使用中核心层与存在于核心层上下的覆盖层分离的现象。

Claims (10)

1.一种用于高功率元件的散热板，所述散热板包含：
核心层；和
通过层积在所述核心层的顶面和底面上而形成的两个覆盖层，其中，
所述核心层由在Cu基质中复合有碳相的复合材料构成，
所述覆盖层由Mo-Cu合金构成，
并且所述散热板的厚度方向上的热导率为至少300W/mK，并且
所述散热板在与厚度方向垂直的方向上的热膨胀系数为至多9×10-6/K。
2.如权利要求1所述的散热板，
其中，所述覆盖材料形成为两层以上的层积结构；
邻近所述覆盖层形成的第一层由Mo-Cu合金构成；并且
不接触所述核心层并形成在所述第一层上的第二层由Cu构成。
3.如权利要求1或2所述的散热板，
其中，在所述核心层中，在所述Cu基质与所述碳相之间的界面的至少一部分中形成Cu-C扩散区至1-30nm的厚度，并且所述散热板的厚度方向上的热导率为至少350W/mK。
4.如权利要求2所述的散热板，
其中，所述第二层中的Cu由纯Cu金属构成或者由包含至多20重量％的非Cu合金化元素的Cu合金构成。
5.如权利要求1或2所述的散热板，
其中，在所述核心层中，在所述Cu基质与所述碳相之间的界面的至少一部分中形成Cu-C扩散区至5-20nm的厚度。
6.如权利要求1或2所述的散热板，
其中，所述碳相包含石墨、金刚石、石墨烯或类金刚石膜。
7.如权利要求1或2所述的散热板，
其中，所述核心层的厚度为所述散热板的总厚度的60-90％。
8.如权利要求2所述的散热板，
其中，所述第一层的厚度为所述散热板的总厚度的至多5-10％。
9.如权利要求1或2所述的散热板，
其中，在所述Cu基质中复合有所述碳相的所述复合材料中，所述碳相的比例为所述复合材料的总体积的40-70％。
10.如权利要求1或2所述的散热板，
其中，在所述Cu基质中复合的所述碳相取向为使所述碳相的长度方向与所述散热板的厚度方向平行。
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