CN111164747A - 用于散热的热结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于从半导体衬底散热的热结构具有半导体衬底，所述半导体衬底具有可以被粗糙化的外表面。通过冷喷涂工艺在所述外表面的顶部形成包括铝的任选基础层，并且通过冷喷涂铜和金刚石颗粒的粉末混合物在所述衬底上方和所述基础层(如果存在)上方形成包括铜和金刚石基质的顶层。由此，所述顶层形成为通过所述铜颗粒在与下层表面撞击时发生的变形而形成的铜基质，并且包括所述金刚石颗粒的分散相嵌入所述铜基质内。所得的结构具有高热导率和与所述衬底良好匹配的热膨胀系数，并且不需要热界面材料或热胶。

Description

用于散热的热结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及导热结构并且涉及制造所述结构的方法。本发明尤其适用于散热器、散热片和热交换器的制造。
背景技术
散热器、散热片和热交换器在半导体电子产品中无处不在，并且也在产生需要耗散的大量热量的其它电子、电气和机械系统中得到应用。
任何散热器材料或结构的两个特别重要的特性是热导率(TC)和热膨胀系数(CTE)。许多装置的长期可靠性要求散热器材料具有较高的TC以提供有效的冷却，并因此提供安全的工作温度。然而，由于冷却依赖于从组件或装置的有效热传递，而这又通常意味着存在良好的热接触以进行传导，因此由操作周期以及装置与散热器之间的CTE失配引起的热应力也会损害可靠性。
因此，例如在半导体电子产品中，具有高TC以及与Si、InP、GaAs或GaN匹配的CTE的材料对于散热器应用很重要。实际上，约十年来，科学家和工程师一直在积极研究新颖的高TC/低CTE复合材料。这种紧迫性主要由电子产品的热通量水平的提高以及例如平板电脑、智能手机和轻便笔记本电脑的高度便携式电子装置的到来所驱动。
高导率金属(Cu、Ag、Al)的CTE在15×10-6/K至20×10-6/K的范围内，对于刚性附接至典型CTE范围更接近3×10-6/K至7×10-6/K的半导体来说，这显然太高。为了解决CTE失配的问题，可以使用例如AIN、Al2O3陶瓷和Cu-W、Cu-Mo、Al-SiC复合材料的材料。但是，对于具有实际意义的CTE，目前可用的TC仅为约200W/mK。对于现代CPU和大多数其它大功率装置，所述值太低而无法有效消除电流，更不用说消除将来的热负荷。
在半导体裸片包括在封装内的情况下，可能需要将散热器安装至形成封装外部的材料(并与所述材料热匹配)，例如聚合材料或陶瓷材料。
Cu由于具有高TC、低成本且易于制造而成为当前散热器材料的选择，随着热通量水平持续不断地随摩尔定律同步上升，Cu本身就变得无效。此外，由于CU与半导体裸片之间的CTE失配较大，因此必须在半导体与铜散热器之间施加一层厚导热油脂(称为TIM1，即热界面材料，层1)，以吸收由热膨胀差引起的剪切力。此TIM1层会导致明显的附加热阻，并且由于运行周期和CTE失配导致油脂“泵出”，此TIM1层本身会遭受长期可靠性问题的困扰。
另一种成熟技术是使用化学气相沉积(CVD)沉积的金刚石。CVD金刚石的TC约为1500W/mK，但是它非常昂贵(是粉状材料的20倍)以至于仅用于对成本不敏感的那些非常专业的应用。而且，金刚石的CTE明显低于大多数半导体，因此实际上仍然遭受CTE失配问题的困扰。
US 2012273803 A1公开了一种散热衬底，所述散热衬底使用在上表面上具有多个凹入区域的衬底形成。在用金刚石丸填充凹入区域之前，用例如环氧树脂的粘合剂结合材料涂覆凹入区域，使得金刚石丸被粘合剂结合材料固持在适当的位置。然后在顶部沉积结合材料的重迭层，将金刚石丸封装在凹穴中。结合材料的重迭层结合至热源，然后抛光掉原始衬底的底面以去除多余的材料并提高整个衬底的热系数。
冷喷涂(CS)可替代CVD或通过导热油脂进行结合。CS是能够在各种衬底材料上生产金属、复合材料、陶瓷和聚合物的涂层的增材制造技术。这通过使用载气在喷嘴中将小颗粒(范围为1μm至60μm)加速至超音速来实现。撞击衬底后，颗粒会塑性变形并结合至衬底。CS快速、适合大面积使用、环境友好、成本低廉，代表例如电镀或等离子喷涂的许多传统方法的有吸引力替代方案。CS已被证明是完全固态的(即不熔化)，并已成功地应用于不同应用的各种材料的沉积，包括但不限于Ti及其合金、Al-Ti组合、WC-Co、Cu、金刚石。通过冷喷涂工艺形成的结构与通过例如烧结的热工艺形成的对应结构在外观和特性上有本质不同。术语“冷”表示未达到涂层和/或衬底的熔化温度。
本发明的目的是在半导体上提供展现出高TC和低CTE的组合的替代热结构。
发明内容
在一个方面，提供一种用于从衬底散热的热结构，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有外表面；
可延展材料的基础层，所述基础层在所述外表面的顶部上形成，所述可延展材料能够展现塑性变形；以及
顶层，所述顶层包括通过冷喷涂选自以下项的粉末而在所述基础层上方形成的金属和金刚石基质：
金属和金刚石颗粒的粉末混合物；以及
金属包覆的金刚石颗粒的粉末，
其中所述顶层由金属基质形成，所述金属基质由所述粉末的金属成分在与下层表面碰撞时发生的变形而形成，并且包括所述金刚石颗粒的分散相嵌入所述金属基质内。
基础层具有可延展材料，即当使用标准压缩或拉伸测试，例如欧洲标准EN ISO6892-1:2016或ASTM E8/E8M进行测试时展现出塑性变形的材料。因此排除在断裂之前不展现可塑性的脆性材料。特别合适的可延展材料的实例是铝、铜、锌和包括热塑性材料的聚合物，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙和其它聚酰胺，或聚氯乙烯(PVC)，以及包括这些材料的复合材料。
提供其中分散有金刚石的基质的优选金属是铜，但是也可以使用具有合适的TC和CTE特征的其它金属，例如铝。基质也可以掺入其它金属，例如镍，特别是在金属包覆的金刚石颗粒中使用此类金属以促进铜层与金刚石粘附的情况下。
已经发现，通过冷喷涂形成的铜-金刚石基质具有高导热性并且具有低CTE，使得它们非常适合于例如散热器的热应用。
具体地，由于在冷喷涂粉末中新沉积的颗粒与所述颗粒撞击的表面相适应的方式，因此基础层与冷喷涂的顶层之间的界面实际上是连续的。应理解，CTE失配的程度低意味着可以将散热结构直接形成至半导体衬底上，从而避免使用TIM(热界面材料)，TIM是已知散热片失效的原因，并提供传统散热片中半导体与铜之间的热障。
基础层具有三个功能：(1)基础层改进顶层与下层衬底之间的结合；(2)基础层提供衬底与顶层之间的热连续性；(3)基础层保护衬底免受冷喷涂顶层所用的颗粒的冲击能的影响。尤其是在通过冷喷涂形成铜-金刚石顶层的情况下以及在衬底为否则由于所用铜颗粒(或铜包覆的金刚石颗粒)的冲击能而可能破裂的半导体的情况下，存在可延展基础层来吸收并散布冲击能量，从而防止损坏衬底。
商用现成的(COTS)金属-金刚石复合材料需要堆叠并固定至衬底，从而需要TIM层来降低接触热阻，这对于组装封装的净热阻是不利的。
因为冷喷涂导致塑性变形而不熔化，所以冷喷涂层的结构可与通过烧结、CVD或其它工艺形成的相似材料层区分开。具体而言，一旦准备好要观察的样品，就可以观察到(例如，使用光学显微镜或扫描电子显微镜)衬底与喷涂层之间的清晰区别，而无需添加在热工艺中可能展示热影响区或强烈形成金属间化合物的明显证据的“中间”层。基本上，在将材料A冷喷涂至材料B上的情况下，可以通过在界面处基本上没有中间层(少量的A和少量的B)的事实来识别冷喷涂工艺。
Cu-金刚石复合材料的CS制造是基于较软金属载体与硬质金刚石填料的较大塑性变形的机械过程。高应变塑性变形在金属载体与金刚石之间形成紧密的机械接触并因此形成紧密的热接触，并导致金属载体与金刚石之间的低界面热障。由于例如铜的金属与金刚石的疏水性，例如烧结的相变制造工艺不是这种情况。金刚石的极差润湿在载体金属与金刚石之间形成界面热阻，并导致已显示出低于基底金属本身的传导率的有效热导率。然后，金刚石充当热流的屏障，从而消除了与金刚石较高热导率相关联的任何积极影响。使用金属-金刚石复合材料的CS固态机械成形可避免此影响。
有利地，CS制造是有助于直接在衬底上和衬底周围制造定制层、结构和特征的增材制造工艺。使用例如烧结的常规制造技术制造的金属-金刚石复合材料可在狭窄的尺寸和形状范围内批量生产。用这些材料制造定制特征非常成问题，因为这需要减材制造工艺，例如铣削，由于复合材料的金刚石含量，这对加工非常不利。
在优选实施方案中，通过冷喷涂工艺在所述外表面的顶部上形成基础层，其中所述顶层在基础层上方形成，其中基础层由(i)金属、(ii)包括至少两种金属的复合材料，或(iii)包括金属和非金属的复合材料形成。
测试发现，铜-金刚石冷喷涂的基质层在直接施加至硅和其它半导体衬底表面时并不总是很好地结合。已经发现提供这种类型的基础层可提供强粘附，而不会不适当地影响TC或CTE性能。由于在最终结构中展现出的高连续性，当基础层进行冷喷涂时尤其会如此。
作为冷喷涂的替代方案，可以通过电沉积、物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)形成基础层。
通过使半导体表面粗糙化，可以提高喷涂的颗粒对衬底的粘附。虽然这绝不是必需的，但可以在适当的情况下完成。粗糙化提供了突起和凹陷，铝颗粒在受到撞击后会围绕突起和凹陷变形，从而促进更好的粘附。
优选地，基础层由铝或由铝和一种或多种金属或非金属成分的复合材料形成。
当衬底是半导体并且顶层是铜-金刚石时，铝是用于基础层的特别优选的材料，因为铝在下方(与硅表面)和上方(与铜-金刚石基质)均能很好地结合，同时保持衬底与顶层之间的非常好的导热性。
优选地，所述基础层通过冷喷涂平均粒径为5μm与100μm之间、更优选地为10μm与60μm之间的铝粉末而形成。
优选地，所述基础层的平均厚度为30μm与500μm之间，更优选地为50μm与250μm之间。
在替代实施方案中，基础层由铜或由铜和一种或多种金属或非金属成分的复合材料形成。
优选地，在这种情况下，所述基础层通过冷喷涂铜粉末或含铜且平均粒径为0.5μm与15μm之间，更优选地为1μm与10μm之间的复合材料而形成。
当衬底是半导体晶片或芯片时，较小的粒径特别有利，因为这提供了低于衬底的断裂能的降低冲击能。
另一替代方案是通过冷喷涂金属和金刚石颗粒的粉末混合物或金属包覆的金刚石颗粒的粉末形成基础层，所述粉末混合物或粉末的平均粒径为0.5μm与15μm之间，更优选地为1μm与10μm之间。
优选地，对于铜、铜复合材料或铜-金刚石基础层，基础层的平均厚度为5μm与50μm之间，更优选地为10μm与30μm之间。
在另一个替代实施方案中，所述基础层包括铝和铜，并且通过冷喷涂铜和铝颗粒的混合物而形成。
优选的铜和铝基础层包括铝和铜的混合物，铝和铜的比率(w/w)为30：70与70：30之间，更优选地为40：60与60：40之间。
任选地，在形成所述基础层之前，通过选自化学蚀刻、喷砂和激光蚀刻的工艺使衬底的所述外表面粗糙化。
优选地，所述衬底的所述外表面的平均粗糙度(Ra)值为1μm与25μm之间，更优选为3μm与20μm之间，最优选为7μm与15μm之间。
优选地，所述顶层包括铜和金刚石的混合物，铜和金刚石的比率(w/w)为30：70与90：10之间，更优选地为50：50与90：10之间，甚至更优选地为75：25与90：10之间，最优选地为约80：20。
优选地，在所述粉末是金属和金刚石颗粒的粉末混合物的情况下，所述混合物中的所述金属颗粒的平均粒径为10μm与60μm之间。
优选地，所述混合物中或所述金属包覆的金刚石颗粒中的所述金刚石颗粒的平均粒径为10μm与200μm之间，更优选地为20μm与100μm之间。
优选地，当所述粉末是金属包覆的金刚石颗粒的粉末时，金属是铜。
优选地，此类颗粒包括平均粒径在20μm至100μm范围内并涂覆有2μm至8μm厚的铜层的金刚石砂砾。
任选地，颗粒还可以包括施加至所述金刚石以辅助铜沉积的厚度为1μm至3μm的镍层，其中所述铜层施加于所述镍层上方。镍可以有利地通过电镀施加。
优选地，在每个晶粒中，金刚石与Ni/Cu之间的优选重量比为70-30与30-70之间，更优选地为大约50-50。
优选地，所述顶层的平均厚度为0.3mm与5mm之间。
任选地，可以通过冷喷涂工艺在铝基础层的顶部上提供中间铜层，其中将顶层冷喷涂至所述中间层上。
中间铜层的优点在于，所述中间铜层有助于基础层与顶层之间的更好结合。当冷喷涂时，铜粉末会与其上方和下方的层形成良好的结合。另外，铜层提供较软材料的缓冲层，所述缓冲层可以减小高速金刚石颗粒对下面的硅衬底的冲击效应。
优选地，当存在中间层时，所述中间层通过冷喷涂平均粒径为10μm与60μm之间的铜粉末而形成。
优选地，中间层的平均厚度为0.1mm与1mm之间。
优选地，相对于大部分顶层，在(远离衬底的)外表面或暴露表面处的顶层具有多尺度特征，其中优选特征尺寸为0.5μm与120μm之间。此类特征可以提供孔隙率的变化以增强沸腾。
可以添加最终的顶表面(厚度为100μm至300μm)，所述表面可以仅通过金刚石喷涂或铜包覆的金刚石喷涂制成。除了本文已经列出的冷喷涂参数外，这也可以在孔隙率变化中发挥作用。
更优选地，所述增加的孔隙率是由于在施加所述顶层的最外部的过程中通过以下一项或多项改变冷喷涂参数而引起的：改变喷嘴入口压力、相隔距离、颗粒进给速率，以及衬底与喷嘴之间的相对移动。
增加的孔隙率能增强沸腾，从而更好地将热量从结构传递至周围的液体。就发明人所知，这在铜-金刚石结构中作为散热器的紧密集成特征是未知的。通过提供由高TC复合材料制成的最终暴露表面的连续特征，并省略TIM2(或其它接触电阻)，可改善沸腾效果。
可以使用相同的原理和技术来提供可以代替散热片或其它传统的增强沸腾结构的涂层，即通过在散热器上沉积铜-金刚石涂层并通过使具有多尺度特征的沉积层外表面的孔隙率增加。
优选地，所述衬底是半导体，并且更优选地，所述衬底由硅、锗、砷化镓、碳化硅、氮化镓、磷化镓或硫化镉形成。
在另一方面，提供一种制造用于从衬底散热的上述热结构中的任一个的方法，所述方法包括以下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有外表面；以及
在所述外表面的顶部上形成能够展现塑性变形的可延展材料的基础层；以及
通过冷喷涂选自以下项的粉末在衬底上方形成顶层：
金属和金刚石颗粒的粉末混合物；以及
金属包覆的金刚石颗粒的粉末；
由此通过金属颗粒在与下层表面撞击时发生的变形而形成金属基质，并且包括金刚石颗粒的分散相嵌入金属基质内。
所述方法的进一步细节从上文叙述其特征的从属产品权利要求中显而易见。
附图说明
现在将通过以下仅以举例的方式并参考附图对本发明的实施方案的描述进一步说明本发明，在附图中：
图1是用于在电子装置中散热的已知热结构的剖视图；
图2是具有不同金刚石含量的Cu-金刚石复合材料的热导率(TC)和热膨胀系数(CTE)的图；
图3(a)和图3(b)分别是冷喷涂的纯铜层和铜-金刚石层的图像；
图4是冷喷涂设备的示意图；
图5示出在硅上冷喷涂30μm铜的样品；
图6示出对图5的样品进行胶带测试的结果；图7示出在硅上冷喷涂30μm铝的样品；
图8(a)至图8(c)示出制造热结构的连续步骤；
图9(a)至图9(c)是分别通过图8(a)至图8(c)的三个样品的SEM显微照片；
图10是图8(a)至图8(c)中形成的结构的详细SEM截面；
图11是从上方观察的成品结构的SEM显微照片；
图12是传统结构和铜-金刚石结构的热阻的比较；以及
图13示出在硅上冷喷涂1μm铜的样品。
具体实施方式
图1是示出用于在电子装置中散热的已知热结构的剖视图。半导体芯片10安装在电路板12上。包括热胶的第一热界面材料(TIM)层14沉积在芯片10的顶表面上，以提供与铜散热器16的导热结合，所述铜散热器16提供用于将芯片连接至散热片20的扩展表面。第二TIM层18用于将散热片20安装至散热器16上。
应了解，由于与TIM层相关联的传导损耗，图1的已知系统是有问题的，因为铜的CTE与硅不匹配，并且因为随着时间的流逝，TIM胶降解，特别是当暴露于由于所述TIM胶所结合的表面之间的热膨胀系数不匹配而导致的重复应力时。
另一个缺点是创建图1的结构需要几个制造步骤。
为了制造高TC/低CTE的复合材料，此处将高TC金属粘合剂/基质与低CTE的分散相组合。复合材料的有效热导率keff可以通过麦克斯韦理论近似地得出：
Figure BDA0002415588180000111
其中km是基质材料的传导率，kd是分散体的传导率，且εd是分散相的体积分数。当然，如果kd>km，则keff>km，并且keff随着分散相的体积分数εd增加而增加。通过类似的方式，复合材料的有效CTEαeff可以通过Kerner方程近似：
Figure BDA0002415588180000112
其中αi、Ki和Gi分别是第i相的体积膨胀系数、体积模量和剪切模量。表达式表明，如果αd<αm，则αeff<αm，并且αeff随着分散相的体积分数εd增加而降低。
图2是具有百分比w/w的不同金刚石含量的Cu-金刚石复合材料的热导率(TC)和热膨胀系数(CTE)的图。还示出通过冷喷涂包括30％金刚石的粉末混合物生产的冷喷涂铜和冷喷涂铜-金刚石基质的热导率实验测量值，这与理论相符。在复合材料变得太脆之前，金刚石百分比可以增加至约70％。可以添加第三种成分，例如热膨胀系数为负的材料，以更改复合材料的绘图线。
基质材料(kCu～400W/mK)和分散材料(kDia～1500-2000W/mK)两者的高热导率，以及金刚石的CTE通常约为Cu的15％的事实意味着Cu-金刚石基质是用于从硅和其它半导体材料散热的有前景材料。
使用冷喷涂(CS)以及纯Cu样品制造Cu-金刚石复合材料。制造纯Cu样品以提供纯CS制成的基质材料的孔隙率的基线感，这可以轻松地从样品的密度测量中获得。
图3(a)示出纯CS Cu样品的扫描电子显微镜(SEM)图像22和照片24。用于冷喷涂的铜粉末的粒径为10μm至60μm。很明显，所述铜粉末几乎为连续铜，这可以通过密度测量值得到证实，发现所述密度测量值是在实验不确定性(±5％)内的纯铜的密度测量值。如图2所示，CS 0％金刚石样品的热导率测量值进一步证实了这一点，结果表明所述密度测量值是在实验不确定性(±10％)内的纯铜的密度测量值。
图3(b)示出CS 30％金刚石砂砾(约100μm)Cu-金刚石复合材料的SEM图像26和照片28。金刚石颗粒被突出显示并以30表示。重要的是，热导率测量值与密度测量值(用于估计εd)不仅证实了金刚石颗粒的存在，而且在复合材料的热导率方面呈正相关，但是与麦克斯韦理论的密切吻合强烈表明，CS制造技术形成具有低Cu-金刚石界面热障的复合材料。
Yoshida&Morigami已表明(见K.Yoshida、H.Morigami的“金刚石/铜复合材料的热特性(Thermal properties of diamond/copper composite material)”，《微电子学可靠性》44(2004年)第303至308页)，界面热阻可以将热导率降低至远低于麦克斯韦对烧结Cu-金刚石的预测；即使在中等εd和小粒径(约20μm至30μm)的情况下，复合材料的有效热导率也比铜低近一半。造成这种现象的原因是烧结过程中铜熔体对金刚石的润湿性很差，而在此处情况并非如此。因此，从材料制造的角度来看，在考虑已经使用3D打印技术制造复合材料的事实之前，这本身就是一个非常令人兴奋的结果。还应注意，所有相关研究均表明，使用Kerner方程可以很好地预测Cu-金刚石复合材料的CTE。
图4是用于形成本文描述的结构的冷喷涂设备的示意图。加压气体源30向设备供料并被分成两股流。上部流经过粉末进料器32并从粉末进料器32中拾取粉末颗粒。下部流经过气体加热器34，以在加热的气体流以及携带夹带的粉末颗粒的流重组之前，提高气体温度，因此提高声速并因此提高喷嘴出口处的实际速度。重组的气流和夹带的颗粒通过超声喷嘴36，所述超声喷嘴36使颗粒加速撞击衬底38。颗粒塑性变形并彼此粘附至衬底以提供沉积层40，可以通过相对于沉积点移动衬底以及通过改变气体温度、气体压力和组成、通过上分支和下分支的相对流速等来控制沉积层40的厚度和形状。沉积层的结构可以通过选择粉末材料(或粉末的混合物)和粒径分布来改变。
尽管上述铜-金刚石复合材料具有颇有前景的特性，但必须确保复合材料与下层衬底的良好结合。由于优选的顶层是具有嵌入的金刚石的铜基质，并且最重要的商业衬底是硅，因此对沉积在硅衬底上的CS铜层进行了测试。
当选择粉末粒径时，CS性能不是唯一的考虑因素。极细的粉末(例如1μm)很难处理，因为细粉末会结块并且可能堵塞进料器，并且小颗粒还会对健康造成潜在危害。然而，如下所示，如果适当的材料处理措施到位，则小的粒径可能会有用。
另一方面，粒径为30μm的铜粉末易于处理，但对硅上CS 30μm铜的检查表明，硅衬底中出现了裂纹，这似乎是由于相对较重的超声颗粒的动量引起。
在硅上沉积30μm的铜层，并通过胶带测试测量粘合强度，其中对沉积的铜层施加Scotch Klebeband压敏胶带，然后将胶带拉开，以查看铜是否随胶带脱落还是保持固定在硅上(Scotch Klebeband是3M公司的商标)。
参考图5，虽然30μm的铜52确实结合至硅衬底50，但是粘合强度不高，并且如图6所示，所述粘合强度未能通过胶带测试。如上所述，显微分析还表明此粒径会导致开裂，从而损坏衬底。
图7示出由30μm铝粉末在硅上形成的冷喷涂层58。与30μm铜不同，铝与硅牢固结合并通过了胶带测试。此外，所述冷喷涂层没有1μm铜的任何材料处理缺点，并且所述冷喷涂层还足够坚固以允许在顶部构建其它层。
现在将讨论热结构的几个实例。
实例1
图8示出在硅顶部的三层结构。首先，在图8(a)中，通过冷喷涂30μm(平均粒径)铝形成基础层。然后，在图8(b)中，通过冷喷涂30μm铜形成中间层。最后，在图8(c)中，通过冷喷涂30μm铜和80μm金刚石粉末的混合物形成铜金刚石基质顶层。
图9(a)至图9(c)是分别通过图8(a)至图8(c)的三个样品的SEM显微照片。图9(a)的大小偶然地为图9(b)和图9(c)的两倍，即每幅图左下侧的长度刻度标记表示9(a)中0.250mm的长度，并且9(a)中对应的刻度标记分别指示9(b)和9(c)中0.504mm和0.506mm的长度。
图10提供了通过成品结构的更详细的SEM截面，其中放大了金刚石颗粒(i)、Cu-Al界面(ii)和Al-Si界面(iii)的细节。
从细节(i)可以看出，金刚石与周围的铜基质紧密接触，这对于确保性能与图2所示的理论预测一致非常重要。如先前所述，铜和金刚石的烧结不提供这种紧密接触。
从细节(ii)和(iii)可以看出，这些层在界面处彼此紧密接触，从而减少了热效率低下。
尽管大块的铜-金刚石层基本上是具有适当嵌入的金刚石颗粒的连续基质，但是使用冷喷涂形成的顶表面在微观水平上远非光滑。
图11是从上方观察的顶表面的SEM显微照片，且图11揭示了许多凸起、凹部和表面特征。表面特征分析表明，此表面的面粗糙度参数具有以下值：
Sa(在XY平面中单位表面上测得的绝对轮廓高度的平均值)：8.588μm
Sq(均方根)：10.767μm
Ssk(偏度：关于均值的对称性)：0.363
Sku(峰度：清晰度的度量)：2.83
Sy(轮廓的最大高度)：69.625μm
可以看出，即使没有任何后处理，成品表面仍是高度多孔且不规则的，这对于散热表面具有显著的益处，并且使得结构特别适合于冷却大功率电子装置，特别是使用液体冷却技术。实验表明，铜-金刚石复合材料中存在芯吸现象，证明存在孔隙。通过改变冷喷涂参数以“改善”在喷涂的最后部分中混合物的沉积，例如通过降低粉末的进给速率，相对于颗粒流更快地平移工件，或调整工艺的其它变量，可以进一步增加顶层上部的粗糙度和孔隙率。
本文公开的结构的显著优点在于，可以在单个连续冷喷涂工艺中创建这些结构，以将各种CS层堆积至半导体衬底上，这使所述冷喷涂工艺成为制造高性能散热结构的快速且实惠的方法。
图12是图1的传统设计(图12的左侧列)和热结构(右侧列)的热阻预算的比较，所述热结构包括由直接沉积到硅上的铜-金刚石冷喷涂层形成的集成散热器。
可以看出，传统设计的热阻预算为0.68k/W，这是由于TIM 1层(0.111)、铜的集成散热器(IHS)(0.124)、TIM 2层(0.025)和风扇散热片(0.42)的连续组件(从硅表面开始)得出的。相比之下，新颖设计的热阻为0.496，所述热阻由冷喷涂铜-金刚石的IHS(0.051)以及TIM 2层和散热片的相同值构成。由于降低了IHS的值，并且消除了TIM 1层，因此热阻几乎降低了30％。这相当于在热设计功率下结温下降了15℃。
上图基于尺寸为15mm×15mm的芯片，使用30μm颗粒将Al层冷喷涂至所述芯片上，厚度达到75μm，然后将30μm铜和30μm金刚石的40：60粉末混合物冷喷涂至2.5mm的厚度。
在以上实施方案中示出和描述的基础层不必是铝，并且下文的一些其它实例提供了替代性基础层。铜中间层是任选的。
实例2
在此实例中，提供与实例1相同的结构，但是铝基础层通过电沉积形成。这可以通过使用物理或化学气相沉积(PVD或CVD)或使用其它技术来进一步改变。但是，重要的是确保无论采用哪种沉积或形成方法，所述基础层都与衬底紧密接触并具有高度连续性，以便通过基础层从衬底至顶层进行有效的热传递。
实例3
用铜基础层代替实例1的铝基础层。使用1μm的铜颗粒冷喷涂铜基础层。
图13示出实验测试的照片，其中将1μm的铜粉末60的轨迹冷喷涂至硅晶片62上。通过胶带测试测量粘合强度，其中对沉积的铜层施加Scotch Klebeband压敏胶带，然后将胶带拉开，以查看铜是否随胶带脱落还是保持固定在硅上(Scotch Klebeband是3M公司的商标)。发现铜牢固地结合并且没有脱落。
使用的粒径可以更小或更大。优选地使用平均粒径为1μm至10μm范围内的铜粉末。颗粒越大，越容易处理，但是在撞击时它赋予衬底的能量越多。冷喷涂参数也会影响撞击能，并且不同的衬底对撞击能的限制不同，以避免破裂或损坏。
在构造热结构时，将铜基础层沉积至30μm，然后冷喷涂铜的(任选)中间层和铜-金刚石的顶层。优选20μm的最小值，以承受冷喷涂颗粒对铜基础层的撞击。
实例4
热结构由基础层和顶层形成，没有中间层。基础层和顶层均由铜-金刚石基质形成。与之前一样，对顶层使用30μm铜和80μm金刚石混合物。对于基础层，将3μm铜粉末与5μm金刚石砂砾混合，并对这些混合物冷喷涂以构建基础层，所述基础层具有良好粘合性、优异热特性并且在以更高的平均入射颗粒能喷涂顶层时屏蔽衬底。
在此技术的变体中，可以用小的(1μm至10μm)铜包覆的金刚石颗粒替代小的铜粉末/金刚石砂粒的混合物。
实例5
基础层与顶层是均质的，两者均使用相同的3μm铜粉末与5μm金刚石砂砾混合物在连续冷喷涂工艺中形成。此实例与其它实例的不同之处在于，此实例不使用不同的基础层，而是具有带有基础层功能和顶层功能两者的单层。

Claims (30)

1.一种用于从衬底散热的热结构，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有外表面；
可延展材料的基础层，所述基础层在所述外表面的顶部上形成，所述可延展材料能够展现塑性变形；以及
顶层，所述顶层包括通过冷喷涂选自以下项的粉末而在所述基础层上方形成的金属和金刚石基质：
金属和金刚石颗粒的粉末混合物，以及
金属包覆的金刚石颗粒的粉末，
其中所述顶层由金属基质形成，所述金属基质通过所述粉末的金属成分在与下层表面撞击时发生的变形而形成，并且包括所述金刚石颗粒的分散相嵌入所述金属基质内。
2.根据权利要求1所述的热结构，其中所述基础层通过冷喷涂工艺在所述外表面的顶部形成，其中所述基础层由(i)金属、(ii)包括至少两种金属的复合材料，或(iii)包括金属和非金属的复合材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的热结构，其中所述基础层由铝或由铝和一种或多种金属或非金属成分的复合材料形成。
4.根据权利要求3所述的热结构，其中所述基础层通过冷喷涂平均粒径为5μm与100μm之间，更优选地为10μm与60μm之间的铝粉末而形成。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的热结构，其中所述基础层的平均厚度为30μm与500μm之间，更优选地为50μm与250μm之间。
6.根据权利要求1或2所述的热结构，其中所述基础层由铜或由铜和一种或多种金属或非金属成分的复合材料形成。
7.根据权利要求6所述的热结构，其中所述基础层通过冷喷涂铜粉末或含铜且平均粒径为0.5μm与15μm之间，更优选地为1μm与10μm之间的复合材料而形成。
8.根据权利要求6所述的热结构，其中所述基础层通过冷喷涂金属和金刚石颗粒的粉末混合物，或金属包覆的金刚石颗粒的粉末而形成，所述粉末混合物或粉末的平均粒径为0.5μm与15μm之间，更优选地为1μm与10μm之间。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的热结构，其中所述基础层的平均厚度为5μm与50μm之间，更优选地为10μm与30μm之间。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的热结构，其中所述基础层包括铝和铜，并且通过冷喷涂铜和铝颗粒的混合物形成。
11.根据权利要求10所述的热结构，其中所述基础层包括铝和铜的混合物，铝和铜的比率(w/w)为30：70与70：30之间，更优选地为40：60与60：40之间。
12.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中在形成所述基础层之前，通过选自化学蚀刻、喷砂和激光蚀刻的工艺使所述衬底的所述外表面粗糙化。
13.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中所述衬底的所述外表面的平均粗糙度(Ra)值为1μm与25μm之间，更优选为3μm与20μm之间，最优选为7μm与15μm之间。
14.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中所述顶层中的所述金属是铜。
15.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中所述顶层包括铜和金刚石的混合物，铜和金刚石的比率(w/w)为30：70与90：10之间，更优选地为50：50与90：10之间，甚至更优选地为75：25与90：10之间，最优选地为约80：20。
16.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中所述粉末是金属和金刚石颗粒的粉末混合物，并且其中所述金属颗粒的平均粒径为10μm与60μm之间。
17.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中所述混合物中或所述金属包覆的金刚石颗粒中的所述金刚石颗粒的平均粒径为10μm与200μm之间，更优选地为20μm与100μm之间。
18.根据权利要求1至15中任一项所述的热结构，其中所述粉末是金属包覆的金刚石颗粒的粉末，其中所述金属是铜。
19.根据权利要求18所述的热结构，其中所述颗粒包括平均粒径在20μm至100μm范围内并涂覆有2μm至8μm厚的铜层的金刚石砂砾。
20.根据权利要求18或19所述的热结构，其中所述颗粒还包括施加至所述金刚石以辅助铜沉积的厚度为1μm至3μm的镍层，其中所述铜层施加于所述镍层上方。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的热结构，其中在每个晶粒中，金刚石与金属之间的优选重量比为70-30与30-70之间，更优选地为大约50-50。
22.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中所述顶层的平均厚度为0.3mm与5mm之间。
23.根据任一前述权利要求所述的热结构，还包括通过冷喷涂工艺在所述基础层的顶部上形成的铜中间层，其中所述顶层被冷喷涂至所述中间层上。
24.根据权利要求23所述的热结构，其中所述中间层通过冷喷涂平均粒径为10μm与60μm之间的铜粉末而形成。
25.根据权利要求23或24所述的热结构，其中所述中间层的平均厚度为0.1mm与1mm之间。
26.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中相对于大部分所述顶层，在远离所述衬底的所述外表面处的所述顶层具有多尺度特征，其中优选特征尺寸为0.5μm与120μm之间。
27.根据权利要求26所述的热结构，其中所述增加的孔隙率是由于在施加所述顶层的最外部的过程中通过以下一项或多项改变冷喷涂参数而引起的：改变喷嘴入口压力、相隔距离、颗粒进给速率，以及衬底与喷嘴之间的相对移动。
28.根据任一前述权利要求所述的热结构，其中所述衬底是半导体。
29.根据权利要求28所述的热结构，其中所述半导体是硅、锗、砷化镓、碳化硅、氮化镓、磷化镓或硫化镉中的一种。
30.一种制造用于从衬底散热的热结构的方法，包括以下步骤：
提供具有外表面的半导体衬底；以及
在所述外表面的顶部上形成能够展现塑性变形的可延展材料的基础层；以及
通过冷喷涂选自以下项的粉末而在所述基础层上方形成顶层：
金属和金刚石颗粒的粉末混合物，以及
金属包覆的金刚石颗粒的粉末；
由此通过所述金属颗粒在与下层表面撞击时发生的变形而形成金属基质，并且包括所述金刚石颗粒的分散相嵌入所述金属基质内。
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