CN109524362A - 一种三维纳米碳复合金属固晶材料及其制备方法和应用、半导体封装结构 - Google Patents

一种三维纳米碳复合金属固晶材料及其制备方法和应用、半导体封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于功率器件散热技术领域，尤其涉及一种三维纳米碳复合金属固晶材料及其制备方法和应用、半导体封装结构。本发明提供了一种三维纳米碳复合金属固晶材料，所述三维纳米碳复合金属固晶材料通过将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结得到。本发明三维纳米碳复合金属固晶材料具有三维纳米碳的网络结构，可以有效的实现垂直方向的传热路径，提高垂直方向的导热性能，与功率器件沿垂直方向传热一致，而且三维纳米碳复合金属固晶材料包覆有纳米金属，可以防止纳米金属的氧化，满足高温半导体的散热要求。

Description

一种三维纳米碳复合金属固晶材料及其制备方法和应用、半 导体封装结构
技术领域
本发明属于功率器件散热技术领域，尤其涉及一种三维纳米碳复合金属固晶材料及其制备方法和应用、半导体封装结构。
背景技术
半导体芯片材料已经由第一代硅、锗发展到第三代碳化硅、氮化镓等，与第一、第二代半导体材料相比，第三代半导体芯片材料性能突出，它的禁带大于2.2ev，有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高1倍的饱和漂移速度，因其优异的材料性能受到各国半导体封装行业的密切关注。
电力电子系统的性能通常通过提高功率半导体器件的工作温度和开关频率来提高，同时减少系统体积、重量和成本。然而，目前的封装技术主要是基于硅基器件开发的，最大可靠的温度只有大约175℃，功率密度限制在200W/cm2，其散热能力严重制约了宽禁带半导体器件的功率密度、工作温度以及性能优势。其中，连接芯片及基板的固晶材料层是最关键的因素之一，在选择固晶材料层时，需考虑其导电性、导热性、力学特性、熔点、表面粘附性、成本和结构。目前普遍使用的固晶材料逐步从含铅焊料转为无铅焊料，如金基合金、锌基合金和铋基合金，然而这些合金材料各自都有其局限性，如金基合金成本高、润湿性差；锌基合金加工温度高且耐腐蚀性能较差；铋基合金热导率低等，亟需开发新的固晶材料，以适应高温运行，并与电力电子应用固有的高电压和高电流相适应，且满足散热性能的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种三维纳米碳复合金属固晶材料及其制备方法和应用、半导体封装结构，用于解决现有固晶材料不能使高温半导体器件在高温的工作条件下满足散热要求的问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种三维纳米碳复合金属固晶材料，所述三维纳米碳复合金属固晶材料通过将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结得到。
本发明还提供了上述技术方案所述三维纳米碳复合金属固晶材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在三维纳米碳的表面负载纳米种子金属，得到表面负载纳米种子金属的三维纳米碳；
b)将所述表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结，得到所述三维纳米碳复合金属固晶材料。
优选的，所述纳米种子金属和所述纳米金属为同种金属；
所述纳米种子金属为铜或银。
优选的，所述三维纳米碳选自石墨烯片与碳纳米管组成的三维网络结构体、三维泡沫石墨烯、三维氧化石墨烯或三维氧化还原石墨烯。
优选的，步骤a)之前，还包括：
将所述三维纳米碳进行表面处理。
优选的，所述表面处理具体为：
在所述三维纳米碳的表面沉积过渡金属；
所述过渡金属选自钛、铬、钨或镍。
优选的，所述表面处理具体为：
在所述三维纳米碳的表面负载官能团；
所述官能团选自羟基或羧基。
本发明还提供上述技术方案所述三维纳米碳复合金属固晶材料或上述技术方案所述制备方法制得的三维纳米碳复合金属固晶材料在半导体封装中的应用。
本发明还提供了一种半导体封装结构，包括芯片或模组、基板和上述技术方案所述三维纳米碳复合金属固晶材料或上述技术方案所述制备方法制得的三维纳米碳复合金属固晶材料；
所述芯片或所述模组与所述基板通过所述三维纳米碳复合金属固晶材料连接。
优选的，还包括：导热连接层；
所述导热连接层设置于所述三维纳米碳复合金属固晶材料与所述基板之间。
综上所述，本发明提供了一种三维纳米碳复合金属固晶材料，所述三维纳米碳复合金属固晶材料通过将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结得到。本发明中，三维纳米碳复合金属固晶材料具有三维纳米碳的网络结构，可以有效的实现垂直方向的传热路径，提高垂直方向的导热性能，与功率器件沿垂直方向传热一致，而且三维纳米碳复合金属固晶材料包覆有纳米金属，可以防止纳米金属的氧化，满足高温半导体的散热要求。
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。
图1为本发明实施例提供的一种三维纳米碳复合金属固晶材料的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种半导体封装结构的结构示意图；
图示说明：1.三维纳米碳；2.表面负载纳米种子金属的三维纳米碳；3.三维纳米碳复合金属固晶材料；4.芯片或模组；5.基板；6.导热连接层。
具体实施方式
本发明提供了一种三维纳米碳复合金属固晶材料及其制备方法和应用、半导体封装结构，用于解决现有固晶材料不能使高温半导体器件在高温的工作条件下满足散热要求的问题。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种三维纳米碳复合金属固晶材料，三维纳米碳复合金属固晶材料通过将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结得到。
本发明中，三维纳米碳复合金属固晶材料具有三维纳米碳的网络结构，可以有效的实现垂直方向的传热路径，提高垂直方向的导热性能，与功率器件沿垂直方向传热一致，而且三维纳米碳复合金属固晶材料包覆有纳米金属，可以防止纳米金属的氧化，满足高温半导体的散热要求。
本发明还提供了上述技术方案三维纳米碳复合金属固晶材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在三维纳米碳的表面负载纳米种子金属后，得到表面负载纳米种子金属的三维纳米碳；
b)将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结，得到三维纳米碳复合金属固晶材料。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种三维纳米碳复合金属固晶材料的制备方法的流程示意图，三维纳米碳复合金属固晶材料的制备方法中，先在三维纳米碳1的表面负载纳米种子金属，得到表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2，再将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2与纳米金属混合后进行混合烧结，得到三维纳米碳复合金属固晶材料3。
本发明实施例中，在三维纳米碳1的表面负载纳米种子金属可提高三维纳米碳1与纳米金属烧结的粘结力，三维纳米碳复合金属固晶材料采用纳米金属为原料，基于纳米材料的小尺寸效应，纳米金属的熔点较低，可在低温条件下进行烧结，将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2与纳米金属混合进行烧结，表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2为三维结构，表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2热导率高，可减少烧结产生缝隙和空洞及其影响，提高导热率。并且，三维纳米碳1的网络结构可以有效的实现垂直方向的传热路径，提高垂直方向的导热性能，与功率器件沿垂直方向传热一致，满足高温半导体的散热要求。
本发明实施例中，该制备方法制得的三维纳米碳复合金属固晶材料3可用作第三代半导体封装的固晶材料，该制备方法可使得三维纳米碳复合金属固晶材料3导热性能好，而且可提高纳米金属的抗氧化性能，同时有效降低烧结纳米金属的热膨胀系数，且成本低，很好地解决了第三代半导体封装对于低温烧结、高温服役、高密度散热和高可靠性的需要。该三维纳米碳复合金属固晶材料3应用于高温半导体封装的固晶材料，能够满足半导体器件在高温的工作条件下对于散热的要求。
本发明实施例中，混合烧结的温度为200℃～350℃；
烧结的时间为10min～30min。
本发明制备方法中，采用纳米金属为原料，烧结温度低，可降低生产成本。
本发明实施例中，纳米种子金属和纳米金属为同种金属；
纳米种子金属为铜或银。
本发明实施例中，纳米金属的尺寸为30nm～500nm，纳米金属具体为纳米铜膏或纳米银膏。
在三维纳米碳的表面负载纳米种子金属具体包括：
通过电沉积、化学镀或蒸镀在三维纳米碳1的表面负载纳米种子金属。
本发明中，步骤a)之后，步骤b)之前，将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2进行离心干燥后，再与纳米金属在无氧环境下进行混合烧结。表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2进行干燥收缩呈三维纳米碳2包覆纳米种子金属，再在无氧条件下与纳米金属进行混合烧结，可以防止纳米种子金属和纳米金属的氧化。
本发明实施例中，在三维纳米碳的表面负载纳米种子金属得到表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2，在烧结时，一片或多片表面负载纳米种子金属的三维纳米碳2与纳米金属进行烧结。
本发明实施例中，三维纳米碳1选自石墨烯片与碳纳米管组成的三维网络结构体、三维泡沫石墨烯、三维氧化石墨烯或三维氧化还原石墨烯。
本发明实施例中，三维纳米碳1可通过控制碳源流速、氢气氮气流速、化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、生长温度、生长时间和冷却速度等因素来确定生长三维纳米碳1的层数及质量，三维纳米碳1在溶液中能够保持不塌陷。通过控制生长的碳纳米结构的层数及质量，可以使三维纳米碳复合金属固晶材料3的热膨胀系数达到(6～15)×10-6/k，热导率高于200w/mk。
本发明实施例中，在三维纳米碳1的表面负载纳米种子金属之前，还包括：
将三维纳米碳1进行表面处理。
本发明实施例中，表面处理具体为：
在三维纳米碳1的表面沉积过渡金属；
过渡金属选自钛、铬、钨或镍。
本发明实施例中，过渡金属通过物理法沉积粘结于三维纳米碳1的表面。
本发明实施例中，表面处理具体为：
在三维纳米碳1的表面负载官能团；
官能团选自羟基或羧基。
本发明实施例中，官能团通过化学法负载在三维纳米碳1的表面。
本发明实施例中，表面处理的目的在于改善三维纳米碳1的界面性能，使纳米种子金属更利于负载在三维纳米碳1的表面，进而再提高三维纳米碳1与纳米金属的粘结力。
需要说明的是，表面处理根据需要进行，此处不做具体限定。
本发明还提供上述技术方案三维纳米碳复合金属固晶材料3或上述技术方案制备方法制得的三维纳米碳复合金属固晶材料3在半导体封装中的应用。
本发明还提供了一种半导体封装结构，请参阅图2，为本发明实施例提供的一种半导体封装结构的结构示意图。半导体封装结构包括芯片或模组4、基板5和上述技术方案三维纳米碳复合金属固晶材料3；
芯片或模组4与基板5通过三维纳米碳复合金属固晶材料3连接。
本发明实施例中，三维纳米碳复合金属固晶材料3可连接封装芯片或模组4与基板5，并提供有效的散热通道，使得半导体封装结构能够进行高温服役，具有高可靠性。
本发明实施例中，三维纳米碳复合金属固晶材料3形成的散热层的大小与芯片或模组4匹配。
本发明实施例中，还包括：导热连接层6；
导热连接层6设置于三维纳米碳复合金属固晶材料3与基板5之间。
导热连接层6可提高三维纳米碳复合金属固晶材料3与基板5的结合力。基板5的另一面还可连接导热连接层6，使得基板5位于两层导热连接层6之间。
本发明实施例中，基板5优选为陶瓷基板，导热连接层6优选为覆铜。
本发明实施例中，导热连接层6的金属与纳米金属为同种金属。
为了进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例进行半导体封装结构的制备，包括以下步骤：
1)通过控碳源流速、氢气氮气流速、CVD生长温度、生长时间和冷却速度等因素控制生长三维石墨烯的层数，使得三维石墨烯在保持自支撑的前提下层数少，制得的三维石墨烯不需进行表面处理。
2)采用恒电流法在三维石墨烯表面沉积一层纳米铜，具体工艺参数为：0.1mol/LH2SO4和0.1mol/L CuSO4作为电解质，三维石墨烯作为阴极，镀铂钛网作为阳极，沉积电流密度为3A/dm2，沉积时间为30s，沉积温度为15℃。
3)将步骤2)得到的一片与芯片尺寸大小接近的表面负载有纳米种子金属的三维纳米碳与尺寸为100nm的纳米铜粉配成的纳米铜膏混合，在300℃下进行混合烧结，得到三维纳米碳复合金属固晶材料，以连接芯片与陶瓷基板，并在陶瓷基板的上下表面设置覆铜。
本实施例中，三维纳米碳复合金属固晶材料的热膨胀系数可达到13.8×10-6/K，热导率可达到201.2w/mk。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维纳米碳复合金属固晶材料，其特征在于，所述三维纳米碳复合金属固晶材料通过将表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结得到。
2.权利要求1所述三维纳米碳复合金属固晶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在三维纳米碳的表面负载纳米种子金属，得到表面负载纳米种子金属的三维纳米碳；
b)将所述表面负载纳米种子金属的三维纳米碳与纳米金属进行混合烧结，得到所述三维纳米碳复合金属固晶材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米种子金属和所述纳米金属为同种金属；
所述纳米种子金属为铜或银。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三维纳米碳选自石墨烯片与碳纳米管组成的三维网络结构体、三维泡沫石墨烯、三维氧化石墨烯或三维氧化还原石墨烯。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤a)之前，还包括：
将所述三维纳米碳进行表面处理。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述表面处理具体为：
在所述三维纳米碳的表面沉积过渡金属；
所述过渡金属选自钛、铬、钨或镍。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述表面处理具体为：
在所述三维纳米碳的表面负载官能团；
所述官能团选自羟基或羧基。
8.权利要求1所述三维纳米碳复合金属固晶材料或权利要求2至7任意一项所述制备方法制得的三维纳米碳复合金属固晶材料在半导体封装中的应用。
9.一种半导体封装结构，其特征在于，包括芯片或模组、基板和权利要求1所述三维纳米碳复合金属固晶材料或权利要求2至7任意一项所述制备方法制得的三维纳米碳复合金属固晶材料；
所述芯片或所述模组与所述基板通过所述三维纳米碳复合金属固晶材料连接。
10.根据权利要求9所述半导体封装结构，其特征在于，还包括：导热连接层；
所述导热连接层设置于所述三维纳米碳复合金属固晶材料与所述基板之间。
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