CN111682002B - 散热板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种散热板，该散热板像高功率电子元件或光学元件一样产生大量的热量，并且能够保持封装过程中与由陶瓷材料制成的元件的结合以及使用时的良好的结合。本发明的散热板包括由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成的第一层，在第一层上形成的并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)的合金制成的第二层，在第二层上形成的并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成的第三层，在第三层上形成的并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)的合金制成的第四层，以及在第四层上形成的并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成的第五层。具有预定厚度的钴(Co)扩散层形成在第一层、第三层和第五层与其间设置的第二层和第四层之间的各个界面上。

Description

散热板

技术领域

本发明涉及一种散热板，更具体而言，涉及一种可以适当地用于封装高功率元件的散热板。散热板的热膨胀系数与诸如氧化铝(Al₂O₃)等陶瓷材料的热膨胀系数相似，即使与包括陶瓷材料的元件结合，也能实现良好的结合，显示高导热性，从而将高功率元件产生的大量热量迅速散发到外部，并且在构成堆叠结构的层之间具有非常优异的结合力。

背景技术

近年来，作为信息和通信以及国防领域的核心技术，使用GaN类化合物半导体的高功率放大器元件引起了关注。

这样的高功率电子元件或光学元件产生比常规元件更大的热量，因此需要用于有效地释放大量产生的热量的封装技术。

当前，具有相对良好的导热性和较低的热膨胀系数的金属复合板，例如钨(W)/铜(Cu)的双层复合材料、铜(Cu)和钼(Mo)的两相复合材料、铜(Cu)/铜-钼(Cu-Mo)合金/铜(Cu)的三层复合材料或铜(Cu)/钼(Mo)/铜(Cu)/钼(Mo)/铜(Cu)的多层复合材料已经用于利用GaN类化合物半导体的高功率半导体元件中。

然而，复合板在厚度方向上的热导率至多为约200W/mK至300W/mK，并且实际上，不可能实现高于这些值的热导率。因此，市场上迫切需要一种新颖的可用于诸如数百瓦的功率晶体管等元件中的散热材料或散热基板。此外，在铜(Cu)/钼(Mo)/铜(Cu)/钼(Mo)/铜(Cu)的多层复合材料的情况下，存在层之间的结合力较低的局限。

另外，在制造半导体元件的过程中，对诸如氧化铝(Al₂O₃)等陶瓷材料的钎焊接合工序基本上是必需的。

由于这种钎焊接合工序是在约800℃以上的高温下进行，因此，在钎焊接合工序中，由于金属复合基板与陶瓷材料之间的热膨胀系数的差异而发生挠曲或断裂。这种挠曲或断裂对元件的可靠性具有致命的影响。

为了满足该需求，如以下专利文献2中所公开的，本发明的发明人提出了一种散热板，该散热板包括由铜(Cu)制成的覆盖层(第一层和第五层)，由铜(Cu)和钼(Mo)的合金制成的中间层(第二层和第四层)，以及芯层，该芯层具有沿着平行于散热板的上表面和下表面的方向交替地重复铜(Cu)层和钼(Mo)层的结构。尽管具有上述结构的散热板在具有与陶瓷材料相同或相似的热膨胀系数的同时展现出400W/mK以上的优异热导率，但是存在由于其复杂的结构而使制造工序数量和工艺成本增加的局限。

因此，需要开发一种散热板，该散热板可以具有通过更简单的工艺制造的结构，在层之间具有优异的结合力，在厚度方向上展现出优异的导热特性，并且在垂直于厚度方向的表面方向上实现与陶瓷材料类似的热膨胀系数。

[现有技术文献]

[专利文献]

(专利文献1)1.日本专利申请公报(JP-A)2016-127197号

(专利文献2)2.韩国专利申请公报2018-0097021号

发明内容

本发明提供一种具有层叠结构的散热板，并且该散热板在构成层叠结构的层之间显示出优异的结合力，同时在厚度方向上实现300W/mK以上的优异的导热特性，在垂直于厚度方向的表面方向上实现6×10^-6/K到12×10^-6/K的热膨胀系数。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种散热板，其包括：第一层，所述第一层由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成；第二层，所述第二层在第一层上形成，并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成；第三层，所述第三层在第二层上形成，并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成；第四层，所述第四层在第三层上形成，并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成；和第五层，所述第五层在第四层上形成，并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成，其中，钴(Co)扩散层形成在第一层、第三层和第五层与其间设置的第二层和第四层之间的各个界面上。

附图说明

图1是用于说明散热板的厚度方向和表面方向的图；

图2是描绘本发明的实施方式的散热板的层叠结构的图；

图3显示了根据本发明的实施方式1制造的散热板的界面的能量色散X射线能谱仪(EDS)的分析结果；

图4显示了根据本发明的实施方式2制造的散热板的界面的能量色散X射线能谱仪(EDS)的分析结果。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细说明本发明的优选实施方式。然而，本发明的实施方式可以以不同的形式体现，并且本发明的范围并不限于在此阐述的实施方式。提供本发明的实施方式以向本发明所属领域的技术人员更完整地解释本发明。

本发明的散热板包括由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成的第一层，在第一层上形成的并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成的第二层，在第二层上形成的并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成的第三层，在第三层上形成的并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成的第四层，以及在第四层上形成的并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成的第五层。钴(Co)扩散层形成在第一层、第三层和第五层与其间设置的第二层和第四层之间的各个界面上。

在本发明中，如图1所示，“厚度方向”是指垂直于散热板的表面的方向，“表面方向”是指平行于散热板的表面的方向。

另外，“钴(Co)扩散层”表示由于钴(Co)元素从界面扩散而使钴(Co)溶解在第一层、第三层和第五层以及第二层和第四层的基质中的区域，或者钴(Co)作为与构成基质的材料的化合物存在的区域，其中第一层、第三层和第五层由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成，第二层和第四层由钼(Mo)或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成。与构成各层的材料中所含的钴(Co)的含量相比，该区域显示出明显更高的钴(Co)浓度。

本发明的散热板包含铜(Cu)层/钼(Mo)层或合金层/铜(Cu)层/钼(Mo)层或合金层/铜(Cu)层的五层结构。由于由至少五层结构形成，所以散热板可具有通过具有低热膨胀系数的钼层和合金层而使厚度方向上的热膨胀系数保持在6×10^-6/K至12×10^-6/K。而且，具有预定厚度的钴(Co)扩散层形成在第一层、第三层和第五层与其间设置的第二层和第四层之间的界面上，因此，可以显著改善层之间的结合力。

在此，尽管在本发明中描述了五层结构，但是本发明应当被解释为包括在该五层结构上额外堆叠其他层。

第一层、第三层和第五层各自可以由包括各种合金元素的铜(Cu)合金以及99重量％以上的铜(Cu)制成，并且当考虑散热特性时，所述铜(Cu)合金可以包含80重量％、优选90重量％以上、更优选95重量％以上的铜(Cu)。

第二层和第四层各自可以由合金制成，所述合金包含5重量％至40重量％的铜(Cu)、余量的选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分和不可避免的杂质。在此，不可避免的杂质是在合金的制造过程中无意地引入到合金中的杂质。更优选使用上述包含铜(Cu)的合金，因为在增强与铜(Cu)层的结合力的同时可以获得较低的热膨胀系数，并且还可以改善厚度方向上的导热性。

在第二层和第四层各自由包含60重量％至95重量％的钼(Mo)和5重量％至40重量％的铜(Cu)的钼(Mo)-铜(Cu)合金制成的情况下，在形成钴(Co)扩散层时是有利的，因为钴(Co)对于钼(Mo)和铜(Cu)具有良好的溶解性，因此层之间的结合力优选地增加。当铜(Cu)含量小于5重量％时，厚度方向上的热导率可能降低，但是当大于40重量％时，可能难以保持表面方向上的低热膨胀系数。因此，优选保持上述范围。

当整个散热板中所含的钴(Co)的含量小于0.003重量％时，由于不能充分地形成扩散层，因此难以充分地提高结合力，但是当钴(Co)的含量大于5重量％时，则难以将散热板的热导率和热膨胀系数设定为期望的水平。因此，优选保持0.003重量％至5重量％的范围。

钴(Co)扩散层的厚度应当为0.05μm以上，以便获得在一定水平之上的结合力的改善。需要大量的钴(Co)或处理时间来使厚度超过100μm，但是结合力的改善不大。因此，优选为100μm以下。钴(Co)扩散层的更优选厚度为0.1μm至10μm。

其中钴(Co)以单相存在的钴(Co)层可以位于钴(Co)扩散层内部。此处，单相的钴(Co)是其中钴(Co)没有完全扩散并且因此在制造过程之后保留的层。

优选在界面的两侧形成钴(Co)扩散层以提高结合力。

当第一层、第三层和第五层各自的厚度保持在10μm至1000μm的范围内时，散热板在表面方向上的热膨胀系数可以保持在6×10^-6/K至12×10^-6/K的范围内，并且可以在厚度方向上获得300W/mK以上的热导率。因此，优选将厚度保持在上述范围内。

当散热板的总厚度为1100μm时，如果第二层和第四层各自的厚度小于10μm，则难以将表面方向上的热膨胀系数保持在6×10^-6/K至12×10^-6/K的范围内，但是当大于110μm时，难以在厚度方向上获得300W/mK的热导率。因此，优选的是，第二层和第四层的厚度保持在10μm至110μm的范围内。当散热板的总厚度变化时，优选的是，当总厚度增加时，进行调整以成比例地增加第二层和第四层的厚度；当散热片的总厚度减小时，进行调整以成比例地减小第二层和第四层的厚度。

在整个散热板中，当钼(Mo)的含量小于3重量％时，难以在表面方向上获得12×10^-6/K以下的热膨胀系数，但是当钼(Mo)的含量大于15重量％时，难以在厚度方向上获得300W/mK以上的热导率。因此，就表面方向上的热膨胀系数和热导率而言，优选将钼(Mo)的含量保持在3重量％至15重量％的范围内，并且更优选将钼(Mo)的含量保持在5重量％至10重量％的范围内。

在散热板中，优选的是，散热板在表面方向上的热膨胀系数为6×10^-6/K至12×10^-6/K，因为当超出上述范围时，在与陶瓷元件结合或使用时，容易发生由于热膨胀系数差异导致的故障。

在散热板中，厚度方向上的热导率为300W/mK以上，更优选为350W/mK以上。

在散热板中，当总厚度小于0.5mm或大于5mm时，可能难以通过具有本发明的结构的散热板获得表面方向上的6×10^-6/K至12×10^-6/K的热膨胀系数和300W/mK以上的热导率。因此，优选将总厚度保持在上述范围内。

在散热板中，当第二层和第四层的厚度之和小于整个散热板的厚度的5％时，不容易在表面方向上获得6×10^-6/K至12×10^-6/K的热膨胀系数，而当大于35％时，不容易在厚度方向上获得所述热导率。因此，优选保持5％至35％的范围。

[实施方式]

图2是描绘本发明的实施方式的散热板的层叠结构的图。

[实施方式1]

如图2所示，本发明的实施方式的散热板1包括由铜(Cu)制成的第一层10，形成在第一层10的上表面上并且由钼(Mo)-铜(Cu)合金制成的第二层20，形成在第二层20的上表面上并且由铜(Cu)制成的第三层30，形成在第三层30的上表面上并且由钼(Mo)-铜(Cu)合金制成的第四层40，以及形成在第四层40的上表面上并且由铜(Cu)制成的第五层50。

另外，在与设置于第一层10与第三层30之间的第二层20的各界面上形成第一钴扩散层60(图中斜线标记的区域)，在与设置于第三层30和第五层50之间的第四层40的各界面上形成第二钴扩散层70(图中斜线标记的区域)。

在这些层中，第一层10和第五层50各自由包含99重量％以上铜(Cu)的铜(Cu)制成并且厚度为约200μm，第三层30由包含99％以上铜(Cu)的铜(Cu)制成并且厚度为约600μm，第二层20和第四层40各自由钼(Mo)-铜(Cu)合金(Mo：80重量％，Cu：20重量％)制成并且厚度为约50μm。第一钴扩散层60和第二钴扩散层70各自具有约0.5μm至5μm的厚度，并且扩散层的厚度可以根据诸如工艺温度和冷却速率等工艺条件而变化。

具有上述结构的散热板1通过以下过程制造。

首先，准备厚度为约200μm、长度为100mm、宽度为100mm的铜(Cu)板作为第一层10和第五层50各自的原料，准备厚度为约600μm、长度为100mm、宽度为100mm的铜(Cu)板作为第三层30的原料，准备厚度为约50μm、长度为100mm、宽度为100mm的钼(Mo)-铜(Cu)合金板(Mo：80％，Cu：20重量％)作为第二层20和第四层40各自的原料。

随后，通过使用溅射方法在第一层10、第三层30和第五层50各自的表面上沉积形成钴(Co)层至约500nm的厚度。

通过使具有钴(Co)层的部分与第二层20和第四层40接触，将各层彼此堆叠以建立图2的结构，然后通过加压烧结法使其彼此结合。此时，将烧结温度设定为900℃，并在烧结后在烧结炉中进行冷却。

使用EDS对如上所述制造的散热板的界面进行成分映射，结果如图3所示。

如图3所示，可以发现，在钼(Mo)-铜(Cu)合金层与由铜(Cu)制成的铜(Cu)层之间的界面上，在加压烧结之前形成的钴(Co)层的至少一部分扩散到铜(Cu)层和钼(Mo)-铜(Cu)合金层二者中。如上所述制造的钴(Co)扩散层可以改善铜(Cu)层与钼(Mo)-铜(Cu)层之间的结合力。

为了评价根据本发明的实施方式制造的散热板的各层之间的结合力，从加压烧结过的散热板切出长度为10mm且宽度为20mm的试样。并且使用银焊(BAg-8)将螺栓(M16)的底面接合(在800℃在氢气氛下)至试样的两面，并使用通用测试机(AG-300kNX)将螺栓的腿部两侧卡紧，然后以恒定的变形速度(1mm/min)继续测试，直到界面破裂。结果，结合强度为352MPa。因此，证实了根据本发明的实施方式制造的散热板的各层之间的结合力非常优异。

[实施方式2]

通过与实施方式1相同的方法制造散热板，不同之处在于，沉积的钴(Co)层的厚度为约70nm。实施方式2的结合强度为344MPa。第一钴扩散层60和第二钴扩散层70各自的厚度为1μm。

使用EDS对如上所述制造的散热板的界面进行成分映射，结果如图4所示。如图4所示，在实施方式2中可以发现，如实施方式1一样，在钼(Mo)-铜(Cu)合金层与由铜(Cu)制成的铜(Cu)层之间的界面上，在加压烧结之前形成的钴(Co)层的至少一部分扩散到铜(Cu)层和钼(Mo)-铜(Cu)合金层二者中。

[实施方式3]

通过与实施方式2相同的方法制造散热板，不同之处在于，第一层10和第五层50各自的厚度为约400μm，并且第三层30的厚度为约200μm。实施方式3的结合强度为321MPa。

[实施方式4]

通过与实施方式3相同的方法制造散热板，不同之处在于，第二层20和第四层40各自由包含99重量％以上钼(Mo)的钼(Mo)制成并且具有约50μm的厚度。实施方式4的结合强度为267MPa。

[比较例1]

通过与实施方式3相同的方法制造散热板，不同之处在于，不沉积钴(Co)层。比较例1的结合强度为294MPa。

[比较例2]

通过与实施方式4相同的方法制造散热板，不同之处在于，不沉积钴(Co)层。比较例2的结合强度为139MPa。

另外，在根据本发明的实施方式制造的散热板中，由于铜(Cu)层与钼(Mo)层或钼(Mo)-铜(Cu)合金层之间的热膨胀系数的差异引起的强烈的拉伸应力，使得铜(Cu)层处于膨胀状态。当在施加有拉伸应力的状态下在用于接合散热板的过程(例如，钎焊过程)中散热板的温度升高时，应力得到缓解，并且已经膨胀一定量的铜(Cu)还降低膨胀率，从而降低散热板的总热膨胀系数。另外，在根据本发明制造的散热板中的不利于导热性的钼(Mo)-铜(Cu)合金层变薄，具有50μm的厚度，这可以增加厚度方向上的热导率。

同时，尽管在本发明的实施方式中通过加压烧结方法来制备板并使其彼此结合，但是本发明的堆叠结构可以通过诸如镀覆和沉积等各种方法来实现。

在下表1中，将通过测量根据本发明的实施方式制造的散热板中的表面方向上的热膨胀系数和厚度方向上的热导率所获得的结果(通过对在散热板上选择的10个任意点处的值进行平均而获得的平均值)与通过测量纯铜板的热导率和热膨胀系数获得的结果进行比较。此外，通过在25℃在氮气氛下使用LFA467(由NETZSCH提供)和DSC200F3(由NETZSCH提供)进行热导率的测量。另外，通过使用DIL402C(由NETZSCH提供)在室温至800℃的温度范围内测量热膨胀系数。在此，氩气气氛下的加热速率为10℃/min。

[表1]

如表1所示，本发明的实施方式的散热板的热膨胀系数在表面方向上为6.4×10^-6/K至10.9×10^-6/K，这些值与构成诸如半导体元件等电子元件和光学元件的陶瓷材料的热膨胀系数类似。因此，可以减少在安装那些元件时发生的挠曲和层离。

另外，本发明的实施方式的散热板在厚度方向上的热导率优异，接近仅由铜制成的板(比较例)的热导率，因此可适用于产生大量热量的高功率元件的散热板。

本发明的实施方式的散热板具有堆叠结构，其由铜(Cu)层和钼(Mo)层或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成。通过在各层的界面上形成的钴(Co)扩散层，显著提高了构成堆叠结构的各层之间的结合力，因此可以防止由于结合力不足而引起的层之间的层离。

另外，本发明的实施方式的散热板可以实现在厚度方向上为300W/mK以上(更优选为350W/mK以上)的优异的热导率，以及在表面方向上为6×10^-6/K至12×10^-6/K的热膨胀系数，这是现有的五层堆叠结构不容易获得的，因此可用于封装比普通元件产生更多热量的高功率电子元件或光学元件。

而且，本发明的实施方式的散热板具有简单的堆叠结构，而不是诸如竖立的点阵结构等复杂结构，因此易于使用简单的工艺制造。

Claims (14)

1.一种散热板，其包含：

第一层，所述第一层由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成；

第二层，所述第二层在所述第一层上形成，并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成；

第三层，所述第三层在所述第二层上形成，并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成；

第四层，所述第四层在所述第三层上形成，并且由钼(Mo)或包含铜(Cu)和选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种或多种成分的合金制成；和

第五层，所述第五层在所述第四层上形成，并且由铜(Cu)或铜(Cu)合金制成，

其中，具有预定厚度的钴(Co)扩散层形成在所述第一层、第三层和第五层与其间设置的所述第二层和第四层之间的各个界面上。

2.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述第一层、第三层和第五层各自的铜(Cu)含量为99重量％以上。

3.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述合金包含5重量％至40重量％的铜(Cu)、余量的选自钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)和铍(Be)的一种成分和不可避免的杂质。

4.如权利要求1所述的散热板，

其中，整个散热板中钴(Co)的含量为0.003重量％至5重量％。

5.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述第二层和第四层各自由包含5重量％至40重量％的铜(Cu)、余量的钼(Mo)和不可避免的杂质的合金制成。

6.如权利要求5所述的散热板，

其中，整个散热板中钼(Mo)的含量为3重量％至15重量％。

7.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述钴(Co)扩散层的厚度为50nm至100μm。

8.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述钴(Co)扩散层形成在所述界面的两侧各自之上。

9.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述第二层和第四层各自的厚度为10μm至110μm。

10.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述散热板的总厚度为0.5mm至5mm。

11.如权利要求10所述的散热板，

其中，所述第二层和第四层的厚度之和占整个散热板厚度的5％至35％。

12.如权利要求1所述的散热板，

其中，所述散热板在表面方向上的热膨胀系数为6×10^-6/K至12×10^-6/K。

13.如权利要求12所述的散热板，

其中，所述散热板在厚度方向上的热导率为200W/mK以上。

14.如权利要求12所述的散热板，

其中，所述散热板在厚度方向上的热导率为300W/mK以上。

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