CN110957228A - 一种碳化硅表面增强的铝散热基板及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子封装技术领域，具体为一种碳化硅表面增强的铝散热基板及制造方法。本发明将纳米碳化硅陶瓷颗粒均匀铺洒在铝基板表面，采用激光束或电子束对纳米碳化硅陶瓷颗粒进行烧结，形成的碳化硅层均匀覆盖在铝基板表面；界面处纳米碳化硅颗粒渗入铝材料表层，形成牢固的界面连接。本发明通过碳化硅增强的方法降低了铝散热基板整体热膨胀系数，提高硬度和强度，降低翘曲，减少热疲劳失效和裂纹的产生及扩展，提高了铝散热基板的热机械性能，应用于电子封装领域，可提高半导体器件可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，具体涉及碳化硅表面增强的铝散热基板及制造方法。
背景技术
电子器件封装愈发趋于高密度、薄型化、微型化发展，随之造成器件功率密度大、散热问题严重，热管理问题成为器件封装的瓶颈之一。传统采用高导热性能的金属铝或铜材料制作散热基板（或称为热沉），但金属的热膨胀系数远大于陶瓷基片以及半导体材料，当温度变化时，由于热失配产生的热应力很容易导致陶瓷或芯片出现翘曲，严重时发生裂纹、脱层甚至断裂等失效问题。
一种方法是采用先进的封装材料（如Cu/W、Cu/Mo、金刚石等），热导率高且热膨胀系数匹配，但加工困难，且密度大、成本高。另一种方法是在金属散热基板和陶瓷基片之间夹一层与陶瓷基片热膨胀系数相容的材料（如可伐Kovar及各种铁镍合金）来降低热应力，但是这种方法增加成本及封装整体重量，且铁镍合金导热率较低，仅有金属铝的十分之一，散热性能较差。
目前较为流行的方法是采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料、又称铝碳化硅（AlSiC）材料作为散热基板。铝碳化硅是以铝合金作为基体、以碳化硅颗粒作为增强体的金属基复合材料，其中，碳化硅颗粒具有热膨胀系数低（4.6 ppm）、刚度大（弹性模量460GPa）、热导率高（110 W/m·K）、化学性能稳定等特点而被用作增强成分。为了让其热膨胀系数尽量与陶瓷或半导体材料相匹配，从而改善器件热疲劳失效问题，碳化硅体积百分数通常为50%～75%。通过调整碳化硅的体积分数，可以在6～9ppm范围内调整铝碳化硅的热膨胀系数，且所制备的铝碳化硅热导率较高（180～240 W/m·K），可以有效的散发器件所产生的热量，且密度接近铝，可实现器件模块轻型封装，现被广泛用于微电子封装、汽车电子、微波封装、功率封装等领域，尤其是多芯片模块、大功率模块以及环境严苛、对重量极为敏感的航空航天器件。
现有的碳化硅颗粒增强铝基复合材料需要高体积百分数的碳化硅颗粒，制备工艺包括机械合金化粉末冶金法、渗透法、精密压铸成型等方法，这些方法制备的铝基在性价比上不具备优势，尤其是制造异形、带翅片的铝基热沉时，相比于传统铝基板工艺复杂、成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种工艺简单、成本较低的碳化硅表面增强的铝散热基板及制造方法。
本发明提出的碳化硅表面增强的铝散热基板的制备方法，具体步骤如下：
将纳米碳化硅陶瓷颗粒均匀铺洒在铝基板表面，采用激光束或电子束对纳米碳化硅陶瓷颗粒进行烧结，形成碳化硅层，并均匀覆盖在铝基板表面。
进一步，在铝基板表面单面完成均匀覆盖碳化硅层后，翻转铝基板，重复烧结，实现铝基板双面覆盖碳化硅层。
本发明中，所述铝基板和碳化硅层的界面处，由于激光束或电子束的高强度，使纳米碳化硅颗粒渗入铝材料表层，形成牢固的界面连接。
本发明中，所述纳米碳化硅颗粒的粒径为20nm～30nm。
本发明中，所述纳米碳化硅颗粒总体积占铝基板体积的3%～5%。
本发明中，所述碳化硅层位于铝基板上、下表面，上下两层的厚度一致，或者上层厚度小于下层厚度。
进一步的，在所述碳化硅层表面进行金属化镀层处理：采用等离子喷涂、或涂敷金属化膏剂的方法，在碳化硅表面形成镍、锡、金及铂中一种元素或几种元素的混合镀层，以提高碳化硅表面增强铝基板与钎料之间的浸润性，有助于焊接可靠性。
在完成碳化硅表面增强及金属化镀层处理后，铝基板作为散热基板进行封装后续工艺，将陶瓷基片粘接在碳化硅颗粒表面增强的铝基板上。
当所述碳化硅层表面无镀层时，则采用粘结剂或导热硅脂或树脂将芯片或半导体元器件粘接到该散热基板上表面。
本发明将纳米碳化硅陶瓷颗粒通过激光烧结或电子束烧结方法，均匀覆在铝基板表面，界面处纳米碳化硅颗粒渗入铝材料表层，形成牢固的界面连接。通过纳米碳化硅颗粒均匀弥散在铝合金的晶胞中，提高铝基板表面刚度和强度，同时细小颗粒晶界变形均匀，不易产生裂纹，也不易裂纹扩展，提高铝基板抵抗热应力的能力，降低翘曲，改善铝基板机械性能。另一方面，铝基板上层（上：指连接陶瓷基片或半导体芯片的一侧）的碳化硅层还可以充当热膨胀过度层，降低热失配程度。综上，本发明的碳化硅表面增强的铝基板既保持了铝材料的高热导率和低密度，又结合碳化硅材料的高刚度、低热膨胀系数，纳米颗粒增强后还提高了铝基板的硬度强度，降低翘曲，减少热疲劳失效和裂纹的产生及扩展，应用于电子封装领域，提高半导体器件可靠性。
本发明的有益效果是，本发明降低了铝散热基板的热膨胀系数，提高硬度和强度，降低翘曲，减少热疲劳失效和裂纹的产生及扩展，提高了铝散热基板的热机械性能，应用于电子封装领域，提高半导体器件可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的碳化硅表面增强的铝散热基板示意图。
图2是纳米碳化硅颗粒通过激光或电子束烧结工艺在铝基板表面形成碳化硅层的示意图。
图3是碳化硅表面增强无镀层的铝散热基板作为散热热沉的一种实际应用示意图。
图4是碳化硅表面增强有镀层的铝散热基板作为散热热沉的一种实际应用示意图。
图中标号：1为铝基板，2为碳化硅层，3为纳米碳化硅陶瓷颗粒，4为激光束或电子束，5为工作台，6为金属化镀层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明实施例提供一种碳化硅表面增强的铝散热基板，图1为上下表面均有碳化硅层的铝散热基板，图2是纳米碳化硅颗粒通过激光或电子束烧结工艺在铝基板表面形成碳化硅层的示意图。将铝基板1放置在工作台5上，工作台可水平方向进给，在铝基板1上均匀铺洒纳米碳化硅陶瓷颗粒3，其中纳米碳化硅陶瓷颗粒粒径为20nm～30nm；工作台匀速前进，通过激光束或电子束4将纳米碳化硅陶瓷颗粒3均匀烧结为碳化硅层2。单面烧结完毕后，翻转铝基板1，重新铺纳米碳化硅陶瓷颗粒3，重复烧结工艺，实现图1中铝基板上、下表面均匀覆有碳化硅层的效果。所使用的纳米碳化硅颗粒3的总体积占铝基板1的体积的3%～5%。完成碳化硅表面增强铝基板后，铝基板作为散热基板进行封装后续工艺。
图3是碳化硅表面增强无镀层铝散热基板作为散热热沉的一种实际应用，铝基板1为平板形状，在铝基板上、下表面烧结厚度一致的碳化硅层2，采用粘结剂、或导热硅脂、或树脂将芯片或半导体元器件粘接到散热基板上表面。
图4是碳化硅表面增强有镀层铝散热基板作为散热热沉的一种实际应用，铝基板1根据模块散热情况设计为翅片形状，在铝基板上下表面烧结碳化硅层2，且上层比下层薄，以保证翅片整体结构的抗翘曲变形能力。在上表面碳化硅层上采用等离子喷涂、或涂敷金属化膏剂的方法进行金属化镀层处理，形成镍、锡、金及铂中一种元素或几种元素的混合镀层6，提高碳化硅表面增强铝基板与钎料之间的浸润性，有助于焊接可靠性，从而牢固可靠的将陶瓷基片通过钎料焊接在碳化硅颗粒表面增强的铝基板上。
以上通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
Claims (8)
1.一种碳化硅表面增强的铝散热基板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
将纳米碳化硅陶瓷颗粒均匀铺洒在铝基板表面，采用激光束或电子束对纳米碳化硅陶瓷颗粒进行烧结，形成碳化硅层，并均匀覆盖在铝基板表面。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，在铝基板表面单面完成均匀覆盖碳化硅层后，翻转铝基板，重复烧结，实现铝基板双面覆盖碳化硅层。
3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述铝基板和碳化硅层的界面处，由于激光束或电子束的高强度，使纳米碳化硅颗粒渗入铝材料表层，形成牢固的界面连接。
4.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述纳米碳化硅颗粒的粒径为20nm～30nm。
5.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述纳米碳化硅颗粒总体积占铝基板体积的3%～5%。
6.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述碳化硅层位于铝基板上、下表面，上下两层的厚度一致，或者上层厚度小于下层厚度。
7.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，在所述碳化硅层表面进行金属化镀层处理：采用等离子喷涂、或涂敷金属化膏剂的方法，在碳化硅表面形成镍、锡、金及铂中一种元素或几种元素的混合镀层，以提高碳化硅表面增强铝基板与钎料之间的浸润性，有助于焊接可靠性。
8.一种由权利要求1-7之一所述制备方法得到的碳化硅表面增强的铝散热基板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200403 |