CN1633709A - 半导体辐射衬底及其生产方法和组件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体散热衬底，其是用铜－钨合金制成的，该合金是其孔内渗入铜的钨多孔体，累积比表面积为95％时的钨多孔体的孔径是0.3μm或更大，比表面积为5％时的钨多孔体的孔径是30μm或更小，通过将铁族金属含量降至低于0.02wt％可使其导热系数为210W/m.K或更大。同样，利用多轴压力机改变渗入模制品中的铜量以改变中心部分和外缘部分中的孔隙量，可以在不使用粘结剂的条件下低成本地提供用不同材料制成中心部分和外缘部分的半导体散热衬底。

Description

半导体辐射衬底及其生产方法和组件
技术领域
本发明涉及：具有优异散热性的半导体散热衬底，这种半导体散热衬底适用于其半导体元件产生大量热的高频器件和半导体发光器件；半导体散热衬底的生产方法；组件和子固定件及使用此衬底的半导体器件。
背景技术
虽然半导体在个人电脑和其它计算机中作为运算单元和储存部件已经起到了很大的跨越作用，但是因为近年来移动通讯的快速传播和大容量通讯的发展，所以其在用于这些通讯的基站中用于高频放大的输出装置中的应用得以迅速拓宽。
半导体器件一般组装成由半导体散热衬底、输入/输出终端及密封环组成的组件，并且因为Si(硅)双极性半导体广泛用于标明所需的隔离，所以它们组装在由其上粘结有BeO(氧化铍)的半导体衬底制成的绝缘衬底上。另一方面，因为它们不需要隔离Si-LDMOS和GaAs-FET半导体，并且具有优异的高频性能，所以可以直接表面安装在半导体散热衬底上。
但是，我们应当注意到近年来高频器件和半导体发光器件的输出功率提高，这些半导体组件产生的热量大幅增加，所以需要提高组件和散热片的散热性能。在这种情况下，半导体散热衬底的作用越来越重要；目前正在寻找导热性能进一步提高的半导体散热衬底，以改善其散热性能。
另外，如果组件翘曲，因为组件和其上连接有用于外部散热的散热片等的半导体散热衬底之间的间隙加大，所以散热性能将遭到很大损坏。例如，加工成需要形式后的半导体散热衬底上通常镀有Ni，利用铜焊接法将用于外部连接的终端和用于气密封的密封环焊接在其上，然后将它们组装成组件；但是，为了改善Ni镀层的粘着性，并且由于组件中易于发生的热翘曲的影响，所以加热工序一般包括在镀Ni工艺中。
另外，在铜焊接时极为重要的是：用作将要进行铜焊接的终端和密封环的氧化铝、氧化铍和Fe-Ni-Co合金的热膨胀系数与半导体散热衬底的热膨胀系数要兼容。例如，尽管铜具有约393W/m.K的高导热系数，但是其热膨胀系数大至17×10-6/℃，不能作为半导体散热衬底。另一方面，由铜和钨制成的合金和复合材料(下面简称为“铜-钨合金”或“Cu-W合金”)可以通过调节铜和钨的组成与上述材料的热膨胀系数兼容；另外，因为它们具有很高的刚性，所以能够降低加热导致翘曲的可能性，因此，它们广泛用作半导体散热衬底。
日本公开专利申请S59-141248提出用这种Cu-W合金制造半导体散热衬底的方法。具体来说，该制造方法是：将0.02-2wt％的铁族金属加入平均粒径为1-40μm的钨粉，将该粉末压力成型，然后将其在非氧化气氛中烧结成多孔烧结体，用重量比为5-25wt％的铜浸渍该烧结体。
同样，日本公开专利申请H10-280082提出了用铜-钨合金制成的复合部件，该复合/合金部件，特别是未加工或部分加工的Cu-W合金的特征在于：没有断裂区的铜和钨的表面暴露在多个面的非交叉部分的所有外缘表面上，并且其中不缺少钨颗粒。用这种生产方法得到的具有这些特征的Cu-W合金的例子是热膨胀系数为6.5×10-6/℃、导热系数为210W/m.K、镀Ni前后的总翘曲值为0.01mm的合金。
另外，日本公开专利申请H4-348062提出了一种用铜叠加和粘结多个Cu-W合金片的散热半导体载体衬底。例如，将大小为7mm×7mm×0.5mm、重量组成为Cu∶W＝20∶80的平板1和大小为30mm×11mm×1mm、重量组成为Cu∶W＝10∶90的平板2叠加，二者之间夹入铜箔，热熔铜箔将二者粘结，产生断级型衬底。在同时与铝框和氧化铍板进行铜焊接后，据推测其组件中的实际底部翘曲值为0.002mm或更小，同样，日本公开专利申请H5-3265提出了一种散热半导体载体衬底，其中，将两种不同密度的多孔烧结钨零件叠加，在渗入熔融铜的同时进行粘结。
另外，日本公开专利申请H5-3265和美国专利5481136提出一种复合散热半导体载体衬底，其特征在于：通过渗铜将至少两种不同密度的多孔烧结钨零件粘结。其中提出生产两种复合衬底，一种含有5-25wt％的Cu，另一种含有40-70wt％的Cu。具体来说，提出使外缘部分含有高量Cu的Cu-W合金的热膨胀系数与塑料组件或弹性印刷电路板的热膨胀系数匹配，以改善半导体或组件的可靠性。
另外，在具有承载有半导体激光二极管和透镜并且在其下部的上面有通过金属焊料粘结的佩尔蒂(Peltier)元件的金属衬底的半导体模块中，日本公开专利申请H10-200208和美国专利6219364提出在热膨胀系数小于第一种金属物质的热膨胀系数的金属部件侧面的包绕侧上利用由热膨胀系数大的第一种金属物质制成的金属衬底，以改善其冷却势，并且获得在热环境中的可靠性。其中提出将材料用铜焊接或渗透剂粘结作为制造金属衬底的方法。
另外，美国专利6114048提出一种功能分级的金属衬底。在这种功能分级的金属衬底的结构中，在用于安装半导体的水平面(x-y面)中复合有至少两种金属，其中，中间部分的导热系数高于外缘部分的导热系数，而外缘部分的热膨胀系数低于中间部分的热膨胀系数。
发明内容
一般用上述日本公开专利申请S59-141248中所述的方法生产Cu-W合金的半导体散热衬底，该方法通过制造钨多孔体，然后使其与熔融铜接触，使铜渗入钨多孔体中的孔。但是其缺点是为了促进作为热流分散剂的铜的渗透而加入的铁族金属削弱了半导体散热衬底的一个最重要的性能，即，其导热性。
特别是在用大规模生产用的大型炉进行渗铜的情况下，由于所谓的生产参数的不规则变化，如炉内温度和氧气流速的波动及炉料体积差的影响，有时会生产出没有完全渗透的产品。铁族金属如铁、镍和钴要和钨一起制成固溶体；另外，为了达到充分渗铜的目的而改善钨对铜的吸湿度，将铁族金属和钨粉末一起混合是必不可少的。
但是，近年来随着设备产量的提高，发生了传统的Cu-W合金的导热性不足以作为散热衬底的情况。例如，使用热膨胀系数与氧化铝兼容的W-11wt％Cu合金时，约0.2wt％的Ni作为添加金属，其导热系数是180W/m.K；但是这些条件不能满足提高导热性的要求。
此处，不是有意加入的铁族金属如镍有时候混入粉末混合、粉碎等工艺中。例如，即使使用上述日本公开专利申请H10-280082中的表2中的3号Cu-W合金，也没有添加金属，用钢球进行粉碎的过程中混入0.09wt％的铁，这种金属的作用是改善钨对铜的吸湿度。但同时，Cu-W合金的导热性下降，由此Cu-W合金的导热系数保持为210W/m.K。
元素钨的原始导热系数是167W/m.K，元素铜的是393W/m.K，因此上述W-11wt％Cu合金的导热系数的理论极限值应当是220W/m.K。实际值与理论值存在差别的原因可以认为是存在各种热流散失因素如界面和晶体畸变及杂质。因此，目前急需寻找散热因素降至最低而导热性得到进一步改善的Cu-W合金。
近来的情况是需要导热系数是250W/m.K或更大，甚至接近铜的导热系数的散热衬底，但是用传统的Cu-W元素合金难以实现。因此，对于热膨胀系数与铜焊接部分兼容很重要的零件必须使用Cu-W合金，在散热能力很重要的零件，如其上安装半导体的区域中必须使用高导热性的铜或其中富含铜的Cu-W合金；已经提出许多与复合铜或多个Cu-W合金件的方法有关的技术。
但是，正如上述日本公开专利申请H4-348062和日本公开专利申请H5-3265所述，目前的复合方法所选择的得到单一复合材料的技术是将事先制备的多个Cu-W合金件或多孔钨零件相结合，因为多个Cu-W合金件或多孔钨零件是在不同工艺中生产的，所以其成本必然升高。
另外，在将事先制备的多个Cu-W合金件或多孔钨零件结合的复合方法中，如果采用铜焊接等技术，则由于铜焊接物质等粘结材料的影响，导热性下降。除此以外的问题还有：使用通过辊轧法结合铜的技术时，对每一层厚度的控制成问题，热膨胀系数、导热系数等性能出现波动。因此，目前急需寻找由低成本、高质量的复合Cu-W合金制成的散热衬底及其生产方法。
为了改善具有复合组成的半导体衬底的散热性能，要求衬底处于半导体承载更高导热性材料处的正下方。
具有上述日本公开专利申请H4-348062中所述的断级组成时，在半导体承载部分正下方的结构不是W-10wt％Cu元素材料，而是其中Cu含量较高的高导热性的W-20wt％Cu，这种合金具有优异的散热性。但是，因为热量是通过W-10wt％Cu平板传递的，所以该结构将受到破坏。即，正如美国专利6114048所述，直接向散热下层结构如散热片传热的组成具有优异的散热性能。
另外，为了使这种结构切实可行，控制翘曲度已被证明是主流观点。具体来说，因为该结构中结合有几种材料，应力易于保留在半导体衬底的内部；当加热衬底时，因为应力的释放，所以极有可能发生翘曲。当利用铜焊接使衬底和周围的氧化铝机械装置及由钴制成的电极材料粘结时，由于热膨胀的差异，可能会发生翘曲，误差将会特别大。因此使用目前技术的结果是半导体器件只能根据组装后的翘曲度分类使用。另外，不仅翘曲度的大小，而且其方向都证明是一个问题。具体来说，半导体下面平直接地的翘曲具有优异的散热性；但是，如果是相反方向，则翘曲是竖直的，其散热性差，因为从半导体下面的平直部分的接地是通过油脂等进行的。
考虑到目前的这些情况，本发明的目的是提供一种散热衬底及其生产方法，该衬底由Cu-W合金制成，其中减少了已证明是一种散热因素的铁族金属，其导热性与传统衬底相比得以改善。本发明的另一目的是提供一种低成本、高质量的半导体散热衬底及其生产方法，其中，多种Cu-W合金，或其和铜结合，以提高导热性。
为了达到上述目的，本发明提供的第一种半导体散热衬底是用铜-钨合金制成的，该合金是其孔内渗入铜的钨多孔体；该半导体散热衬底的特征在于：累积比表面积为95％时的钨多孔体的孔径是0.3μm或更大，比表面积为5％时的钨多孔体的孔径是30μm或更小。累积比表面积为95％时的钨多孔体的孔径优选是0.5μm或更大。
在上述本发明的第一种半导体散热衬底中，铜-钨合金内的铁族金属含量可以是0.02wt％或更低，更优选0.002wt％或更低。结果，当本发明的半导体散热衬底中的钨含量为91-75wt％、接近逻辑值时，可以得到210W/m.K或更大的导热系数；当钨含量是81-75wt％时，可以得到230W/m.K或更大的导热系数。
另外，本发明提供一种半导体散热衬底的生产方法，该半导体散热衬底是用铜-钨合金制成的，该合金是其孔内渗入铜的钨多孔体；该半导体散热衬底的生产方法包括：将钨粉末和有机粘结剂混合的步骤；将粉末混合物压力成型的步骤；加热模制品，从其中除去有机粘结剂的步骤；在该状态下的钨多孔体或已经进行过中间烧结的钨多孔体中渗入熔融铜的步骤；其特征在于：粒径为0.5μm或更小的粉末在钨粉末中的含量是5％或更低，粒径为50μm或更大的粉末的含量是5％或更低。
在上述第一种半导体散热衬底的生产方法中，可以向钨粉末中再加入低于0.02wt％的铁族金属粉末，铁族金属粉末的添加量优选是0.002wt％或更低。另外，向钨粉末中加入的有机粘结剂的量优选是0.2wt％或更低。
另外，本发明提供的第二种半导体散热衬底的特征在于：该半导体散热衬底是用铜-钨合金制成的，该合金是其孔内渗入铜的钨多孔体，该衬底由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成，中心部分由铜或铜含量高于外缘部分的材料制成；中心部分和外缘部分之间不被粘合材料间断地集成在一起。
在上述第二种半导体散热衬底中，构成中心部分的材料与构成外缘部分的材料具有不同的导热系数和/或热膨胀系数。用第二种半导体散热衬底也可以使构成中心部分的材料的导热系数为250W/m.K或更大。
在上述第二种半导体散热衬底中，中心部分中的铜含量优选是30wt％或更高，而外缘部分中的铜含量低于30wt％。外缘部分中的铜含量更优选是10wt％或更低。还优选在钨多孔体的外缘侧面没有经过研磨或抛光工序的情况下使用，外缘侧面的尺寸精度是±2μm/mm。
在本发明提供的第二种半导体散热衬底的生产方法中，第一种方法是由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：形成钨多孔体，其中，在用钨粉末将其成型的过程中，通过改变中心部分和外缘部分上的压力使其中心部分中的孔隙比例高于外缘部分中的孔隙比例；和将熔融铜渗入钨多孔体。
在上述第二种半导体散热衬底的生产方法中，第二种方法是由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：形成钨多孔体，其中，在用钨粉末将其成型的过程中，通过改变中心部分和外缘部分中的钨粉末和添加金属粉末的百分比使中心部分和外缘部分具有不同的组成；将熔融铜渗入得到的钨多孔体。
在上述第二种半导体散热衬底的生产方法中，第三种方法是由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：将熔融铜渗入在将钨粉末成型过程中得到的钨多孔体，其中心部分形成有凹穴或形成有多个渗透或非渗透小孔；同时用铜填充凹穴或小孔。
在上述第二种半导体散热衬底的生产方法中，第四种方法是由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：形成中心有通孔的钨多孔体；将熔融铜渗入钨多孔体，然后将铜片压入中心通孔，或者先将铜片压入钨多孔体中的中心通孔，然后将熔融铜渗入其中；然后将钨多孔体进行热处理。
本发明提供一种组件，该组件利用上述本发明的第一种或第二种半导体散热衬底，或者利用能够满足第一种或第二种半导体散热衬底条件的半导体散热衬底，其中，密封环和电极终端被铜焊接在其外缘部分上。本发明的组件的特征在于：其上铜焊接所说的密封环和所说的电极终端后，所说的半导体散热衬底中的翘曲度是每毫米长度1μm或更小。
本发明还提供一种子固定件，其特征在于其装备有：利用上述第一种或第二种半导体散热衬底的子固定件衬底；在所说的子固定件衬底的承载光学半导体元件的主面上的焊接层。
在本发明的子固定件中，在所说的承载光学半导体元件的主面上的角边(chamfer edgewise)优选是30μm或更小。另外还优选地是，在所说的子固定件的至少一个侧面上，从所说的主面上的焊接层开始连续形成焊接层，或者在所说的子固定件的所有侧面上，从所说的主面上的焊接层开始连续形成焊接层。
本发明还提供一种半导体器件，其中，光学半导体元件安装在上述子固定件的适当位置处，管脚(stem)连接在其相对侧上的反面上。
附图简述
图1是示出本发明生产膜腔(molding form)的方法的一个具体例子的说明图，该膜腔用于制造由中心部分和与其材料性能不同的外缘部分构成的半导体散热衬底。
图2是示出本发明生产膜腔的方法的另一个具体例子的说明图，该膜腔用于制造由中心部分和与其材料性能不同的外缘部分构成的半导体散热衬底。
图3是示出本发明生产膜腔的方法的一个单独例子的说明图，该膜腔用于制造由中心部分和与其材料性能不同的外缘部分构成的半导体散热衬底。
图4是示出本发明生产膜腔的方法的另一个单独例子的说明图，该膜腔用于制造由中心部分和与其材料性能不同的外缘部分构成的半导体散热衬底。
图5是示出本发明生产膜腔的方法的另一个单独例子的说明图，该膜腔用于制造由中心部分和与其材料性能不同的外缘部分构成的半导体散热衬底。
图6是示出本发明生产膜腔的方法的另一个单独例子的说明图，该膜腔用于制造由中心部分和与其材料性能不同的外缘部分构成的半导体散热衬底。
图7是示出子固定件衬底的倒角部分(chamfered portion)的示意图；其中，(a)示出通过研磨形成的倒角部分，(b)示出通过抛光形成的倒角部分，和(c)自然形成的锯齿形状的倒角部分。
图8是示出光学半导体元件和承载在传统子固定件上的管脚的示意性剖视图。
图9是示出光学半导体元件和承载在本发明的子固定件上的管脚的示意性剖视图。
图10示出用本发明的半导体散热衬底制造的高频器件的组件的一个具体例子；其中，(a)是其示意性平面图，和(b)是示意性侧视图。
图11示出用本发明的半导体散热衬底制造的高频器件的组件的另一个具体例子；其中，(a)是示意性平面图，和(b)是示意性侧视图。
图12示出用本发明的半导体散热衬底制造的高频器件的组件的另一个具体例子；其中，(a)是示意性平面图，和(b)是示意性侧视图。
具体实施方式
作为在生产Cu-W合金的过程中用熔融铜渗入钨多孔体的研究成果，本发明的发明人发现：在累积比表面积为95％时的钨多孔体的孔径是0.3μm或更大，即，其直径小于0.3μm的孔为5％或更少时能够促进熔融铜渗入钨多孔体，与传统的衬底相比，不能完成渗透的可能性大大降低。
另外，即使铁族金属含量是0.02wt％或更小，因为在累积比表面积为95％时的钨多孔体的孔径是0.3μm或更大时也能促进铜渗透，所以可以毫无问题地进行渗铜。结果是能够大量减少铁族金属如铁、镍或钴的添加量，这些铁族金属的添加量对于易于进行渗透而改善钨和铜的吸湿性很重要，这一直是导热性受到破坏的原因。
在累积比表面积为95％时的钨多孔体的孔径优选是0.5μm或更大时能够完全消除加入铁族金属的必要性，钨粉末中仅有作为杂质的铁族金属，在混合过程中会不可避免地混入铁族金属，即使铁族金属的完全比含量(specific content complete)是0.002wt％或更小，没有任何渗透能力时，也可以渗铜。
累积比表面积为5％时的钨多孔体的孔径是30μm或更大，即，其直径大于30μm的孔为95％或更多时是不希望的，因为孔的毛细作用减弱，使得渗铜不可能平稳进行，钨多孔体的强度也减弱，使其易于破裂。
上述钨多孔体的平均粒径优选是5-20μm，更优选10-20μm。粒径在上述范围内时能够使粉末的流动性更好，并且能够使成型过程中的密度均匀，这能够使烧结过程中的变形处于控制之中。另外，即使在低成型压力下也能使模制品的密度增加，所以由于为得到合金所要求的密度所进行的烧结所造成的收缩量可以最小化，所以能够控制烧结过程中的变形。
因为可以降低其铁族金属含量，所以由Cu-W合金制成的本发明的第一种这样的半导体散热衬底可具有优于传统衬底的导热性。例如，尽管热膨胀系数与氧化铝的热膨胀系数相匹配的传统W-11wt％Cu合金(Ni含量约0.2％)的导热系数约是180W/m.K，但是使用本发明的Cu-W合金时，当钨含量是91-75wt％时，可以得到210W/m.K或更大的导热系数；当钨含量是81-75wt％时，可以得到230W/m.K或更大的导热系数。
可以用一般的渗透法生产由Cu-W合金制成的本发明的上述第一种半导体散热衬底。具体来说，用下述方法形成钨多孔体：先混合钨粉末和有机粘结剂，再根据需要混合作为添加金属粉末的铁族金属；在模具中将该粒状粉末压力成型，形成模制品；然后加热该模制品，除去有机粘结剂；并且还根据需要进行中间烧结。然后用下述方法得到衬底形式的铜-钨合金：加热和熔融其量足以填充钨多孔体的孔的铜，借助于毛细现象将铜渗入多孔体内的孔中，在这种状态下将其固化。然后将其加工成需要的形式，通过喷砂(shot blasting)或滚筒抛光除去多余的铜，得到半导体散热衬底。
使细粉和粗粉的量为在标准或标准以下可以有效地将钨多孔体的孔径控制在上述规定范围内。具体来说，使作为原料的钨粉末中粒径为0.5μm或更小的粉末的量是5％或更少，并且使粒径为50μm或更小的粉末的量是5％或更少，可以生产出累积比表面积为95％时孔径是0.3μm或更大且比表面积为5％时孔径是30μm或更小的钨多孔体。为了使累积比表面积为95％时的钨多孔体的孔径是0.5μm或更大，还需要使粒径为3μm或更小的粉末量是5％或更少。
在本发明中，为了提高导热性，必须尽可能抑制除铜和钨以外的杂质。因此必须选择杂质量最少的原料粉末，特别希望使用杂质含量为0.002wt％或更小的高纯度钨粉末。当然在混合和造粒工艺步骤中必须尽可能控制混入的杂质量。有机粘结剂也是一样：为充分除去有机粘结剂而进行的热加工当然也有问题，因为含碳的杂质也能够降低导热性，也是造成翘曲的一个原因，所以要求预先加入的有机粘结剂的量是相对于钨粉末量的0.2wt％或更低。
具有上述特异组成的Cu-W合金的导热性不足够高，必须和另一种材料如铜复合。在这方面，本发明提供的第二种半导体散热衬底由承载半导体的中间部分和与其材料性能不同的外缘部分构成，外缘部分由Cu-W合金制成，而中间部分由铜或铜含量高于外缘部分的材料制成，中心部分和外缘部分集成为一体，二者之间没有插入铜焊接材料如铜焊接层。
在构成具有如此组成的第二种半导体散热衬底的中心部分的材料和构成外缘部分的材料中，将二者结合起来进行选择，使其分别具有不同的导热系数和/或热膨胀系数。例如，用铜或铜含量高的Cu-W合金或其它材料制成中间部分时，可以得到250W/m.K或更大的导热系数。同时，通过调节外缘部分的热膨胀系数，可以使第二种半导体散热衬底的热膨胀系数与由氧化铝制成的密封环的热膨胀系数一致。同时还可以防止由于其热膨胀系数与要焊接的材料的热膨胀系数的不容而造成的翘曲，从而可以生产其散热性极高的组件。
在能够处理输出功率日益升高的器件的半导体器件中，特别优选地是，上述具有优异散热性的第二种半导体散热衬底的承载半导体的中间部分中的铜含量是30wt％或更高。这样能够生成其中间部分的导热系数为230W/m.K或更大，更优选250W/m.K或更大的衬底。应当理解的是，在这种情况下，外缘部分中的铜含量低于30wt％。
半导体器件一般具有在衬底上铜焊接有由Fe-Ni合金和Fe-Ni-Co合金制成的外围机械器件的结构。在许多情况下，氧化铝用于外围机械器件；热膨胀系数为6.5×10-6/℃的氧化铝与Cu为11wt％的Cu-W合金匹配，这样可以最大限度地抑制铜焊接后的翘曲。如果承载半导体的中间部分中的铜含量是30wt％或更高，则因为其热膨胀系数大于氧化铝的热膨胀系数，所以不会发生很大的铜焊接后的翘曲。
在这方面，在本发明的第二种半导体散热衬底中，通过为其热膨胀系数低于氧化铝的Cu含量是10wt％或更低的Cu-W合金提供其上焊接由氧化铝制成的外围机械器件的外缘部分，使半导体散热衬底的热膨胀系数在整体上与氧化铝匹配，并且防止翘曲。尽管没有声明，但是Fe-Ni合金和Fe-Ni-Co合金与氧化铝之间确实发生翘曲，因为它们的热膨胀系数小，为8-9×10-6/℃。如果用Cu含量为15wt％或更低的Cu-W合金作为外缘部分，将Fe-Ni合金或Fe-Ni-Co合金焊接在其上，则可以最大限度地抑制翘曲。
具体来说，通过协调兼容性可以将半导体散热衬底中的翘曲度(即使是纵向上的翘曲度)抑制在1μm/mm或更低。因为在升高外围机械器件的突出方向上的翘曲是由热膨胀系数大的散热衬底造成的，所以降低散热衬底的外缘部分中的Cu含量以降低散热衬底的热膨胀系数，可以降低翘曲度。利用上述技术也可以将翘曲方向控制在中心部分接地的方向上，这对于提高散热性非常有效。
应当理解的是，用Cu-W合金制成的半导体散热衬底在焊接前必须镀Ni。然后，为了加固粘结强度，需要在750℃或更高温度下进行热处理，其中，Ni扩散到作为Cu-W合金的一种元素的Cu中。但是，在750℃或更高温度下进行热处理后的翘曲度必须保持为1μm/mm或更小。在加热时，除密度不规则的原因外，还由于烧结过程中的残余应力使翘曲度升高，所以需要放慢渗透后的冷却速度，需要在750℃或更高温度下预热合金，然后再加工，以消除应力。
还可以在外缘侧面没有经过加工或抛光工艺步骤的情况下使用第二种半导体散热衬底，其尺寸精度可以设置为±2μm/mm，更优选±1μm/mm。
本发明提供的第二种半导体散热衬底的生产方法是在基于上述渗透法的Cu-W合金生产工艺中集成两种Cu-W合金或铜和Cu-W合金，该方法能够低成本地生产其导热系数高且具有优异散热性的半导体散热衬底。
在第二种半导体散热衬底的生产方法中，图1和3或4例示的第一种方法能够生产中间部分和外缘部分之间存在密度差的模制品，即，其中的孔隙(vesicle)量存在差别的模制品，方法是：向模具内部装入原料钨粉末，当用多轴压力机进行压力成型时，在中间部分和外缘部分之间施加压力差。随后将铜渗入该多孔体，在没有进行铜焊接等粘结工艺的情况下生产其中结合有两种Cu-W合金的半导体散热衬底。
同样，在图2例示的第二种方法中，用多轴压力机生产中间部分和外缘部分的组成不同的模制品，方法是改变中间部分和外缘部分中的原料粉末，具体来说是改变钨粉末和添加金属粉末的比例，然后用铜渗透该多孔体。在上述利用压力成型过程中的压力差改变孔隙量的第一种方法中，太大的压力差是造成破裂的原因；但是在改变原料粉末组成的第二种方法中，在不改变孔隙量的情况下就可以得到其中有两种组成不同的Cu-W合金的半导体散热衬底。
另外，在图5例示的第三种方法中，在压力成型的钨粉末中形成凹穴和许多贯通或非贯通的小孔，在将铜装入凹穴和大量小孔的同时使铜渗入多孔体。另外，在图6例示的第四种方法中，生产钨多孔体，在将钨粉末压力成型时或穿孔等以后在其中间部分形成通孔，在将铜片压入通孔并且向多孔体渗铜后，整体进行热处理。通过这些方法可以得到结合有Cu-W合金和铜的半导体散热衬底。
但是，为了实现作为本发明一个特征的小翘曲度，必须使中间部分中的铜含量加大，并且必须按照设计方案设计外缘部分的尺寸。因此需要设定中间部分在模具中的位置，然后可以在不使外缘部分经过处理步骤如加工或抛光的情况下利用外缘部分。为了做到这一点，必须抑制中间烧结和渗铜过程中的变形。为了均匀地进行烧结，需要使成为导致变形的原因的铁族杂质含量保持0.02wt％或更低。这是因为铁族杂质还是导致导热性降低的原因。通过将其含量调节至0.02wt％或更低，可以抑制导热性的下降。
还要求钨粉末的平均粒径是5-20μm。该范围内的颗粒能够均化成型过程中的密度，因为粉末的流动性更好，并且能够使烧结过程中的变形处于控制之中。另外，与平均粒径为5μm或更小的情况相比其成型密度升高的事实可以使由于为得到所需密度所进行的烧结所造成的收缩量最小化，所以能够限制烧结过程中的变形量。通过使外缘部分的尺寸精度保持±2μm/mm或更小，可以在不加工外缘侧面的情况下使用半导体散热衬底。
因此，在本发明的第一种和第二种半导体散热衬底中，通过使承载半导体的中间部分具有高导热性，可以有效地消除半导体产生的热。另外，通过同时使外缘部分具有低的热膨胀系数，可以控制高导热性的中间部分的膨胀。
在大多数情况下，上述本发明第一种和第二种半导体散热衬底上铜焊接有由陶瓷如氧化铝和氧化铍或由Fe-Ni合金或Fe-Ni-Co合金制成的密封环和电极终端，将它们作为组件。这些组件中的铜焊接后翘曲度保持为每毫米长度1μm，因为它们具有优异的导热性，所以它们还具有优异的散热性。
在其中在该组件上承载有半导体电路元件的半导体器件中，因为半导体元件正下方的衬底中间部分具有高导热性，并且因为衬底中的翘曲度很小，所以衬底和半导体元件的粘结力很高，该器件具有优异的散热性。具体来说，半导体散热衬底的外缘部分和承载半导体电路元件的中间部分由不同的材料构成，中间部分中的Cu含量是30wt％或更高；外围机械器件正下方的外缘部分中的Cu含量优选是10wt％或更低，外围机械器件优选由氧化铝制成。
另外，用上述第一种和第二种半导体散热衬底作为子固定件衬底可以生产用子固定件衬底的承载光学半导体元件的主面上的焊接层装备的子固定件。同样，在承载光学半导体元件的主面相对侧的反面上装备焊接层能够使管脚结合在其上。
子固定件衬底的表面粗糙度Ra优选是1μm或更低，Ra更优选是0.1μm或更低。同样，子固定件衬底的平直度优选是5μm或更低，更优选1μm或更低。如果表面粗糙度Ra超过1μm，或者平直度超过5μm，则当子固定件衬底在适当位置与光学半导体元件如激光二极管连接时，子固定件和元件中间的间隙时常会增加，并且元件冷却效率下降。本申请中的表面粗糙度Ra和平直度规定在JIS规范中(分别在JISB0601和JISB0621中)。
另外，如图7所示，用于子固定件的子固定件衬底20的承载光学半导体元件的主面的边线部分上的倒角尺寸C优选是30μm或更小，更优选10μm或更小，最优选5μm。在这种情况下，因为子固定件衬底20一直粘合在光学半导体元件的边线部分上，所以在整个边线部分上也有充分的吸热效应。本申请中的倒角尺寸C规定在JIS(日本工业标准)B0001和B0701中。
具体来说，如图7(a)所示，在主面的边线部分21上形成倒角21a。图7(a)中的虚线表示倒角尺寸C是30μm的情况；在本发明中，倒角21a优选不会超出虚线。另外，可以人工生成边线部分21上的倒角形式，可以通过研磨形成图7(a)中的倒角21a，或者通过抛光形成图7(b)中的倒角21b；也可以将边线部分21凿成图7(c)所示的天然锯齿形式的倒角21c。基本上没有倒角部分也是合适的。
为了确保子固定件和光学半导体元件及管脚之间的结合，可以在子固定件衬底表面上提供粘结层，使粘结层与衬底表面直接接触。举例来说，粘结层材料可以是与衬底的粘结亲和力令人满意的材料，如果是通过电镀形成的，则其材料可以是Ni、Ni-Cr、Ni-P、Ni-B、Ni-Co或氨基磺酸镍。同样，如果是通过气相沉积法形成的，则其粘结层料可以是如Ti、V、Cr、Ni、NiCr合金、Zr、Nb或Ta。粘结层厚度优选是0.01-10μm，更优选1-10μm。
另外，可以用普通电镀法如无电电镀、电镀、或振动滚镀，或普通气相沉积法如真空气相沉积或溅射法作为形成粘结层的方法。为了增强粘结层和子固定件之间的粘结强度，优选将用电镀法或气相沉积法形成的粘结层在氢气气氛中在500-600℃下烧结处理。
在粘结层顶部上可以提供防扩散层，在防扩散层顶部上可以提供焊接层。用于防扩散层的实体材料的例子包括Pt、Au、Pd、Ag和Mo；可以叠加多个层如Pt/Au。任何种类的层沉积法如气相沉积法或电镀法都可以用作形成防扩散层的方法；但优选使用溅射法，因为当在主面和反面上沉积层时，这些层也沉积在侧面上。防扩散层厚度优选是0.01-10μm，更优选0.05-1.5μm。
低熔点金属焊料如In或Sn，或AuSn-、AgSn-、AuGe-、PbSn-或InSn-合金焊料，或将其结合的焊料都可用作用于将光学半导体元件和管脚结合在子固定件上的焊接层材料。同样，对于熔融前焊接层的形式，可以利用包括上述合金焊料的单种焊料的金属层叠物。在本发明中，如果用AgSn焊料作为合金层，则Ag的组成百分比优选是72wt％或更低。同样，对于AuSn焊料，Au的组成百分比优选是65-85wt％或5-20wt％。一些传统上使用的方法如气相沉积法、溅射法或电镀法可以用作形成焊接层的方法。
在将光学半导体元件等结合在子固定件上的情况下，如图8所示，焊接层25作用于子固定件衬底22的主面和反面上，在子固定件衬底22上提供薄薄的作为粘结层的Ni层23和作为防扩散层的Pt层24；其中，衬底同时在主面上结合光学半导体元件26和在反面上接合管脚27，当在如330℃左右进行焊接时，熔融的焊料从主面和光学半导体元件26之间流出，突出成圆块；该突出部分25a有时影响底部发射的光学半导体元件26的发光。同样，焊料有时从反面和管脚27之间流出，形成圆块形式的突出部分25b。
在本发明的子固定件中，焊接层装备在承载光学半导体元件的主面上；同时优选在至少一个侧面上，更优选在所有侧面上，从主面上的焊接层开始连续形成焊接层。在沿主面对侧的子固定件的反面上也形成结合管脚的焊接层。承载半导体元件的主面和结合管脚的反面上的焊接层厚度优选是0.1-10μm，而侧面上的焊接层厚度优选约0.1-2μm。
在这种情况下，如图9所示，因为焊接层25不仅提供在主面和侧面上，而且在所有侧面上，所以当结合光学半导体元件26和管脚27时从主面和光学半导体元件26之间流出的焊料和从反面和管脚27之间流出的焊料沿侧面上的焊接层25向下流动，突出在管脚27上面，一起在四个侧面上形成弯月面29。这不仅适用于同时结合光学半导体元件26和管脚27的情况，而且适用于将其依次结合的情况。
因为焊料平稳流动，并且形成了弯月面29，所以不会形成影响光学半导体元件26发光的突出焊料，还可以在子固定件22和半导体元件26及管脚27之间得到优异的结合强度。在沿光学半导体元件26的发光面排列的至少一个子固定件侧面上提供焊接层25可以抑制能够影响发光的突出焊料的形成。另外，为了提高结合强度，在管脚27和子固定件侧面之间形成的管脚27上面的弯月面29的高度(弯月面的尺寸)h优选是约0.01-0.2mm，更优选约0.03-0.2mm。
在同时将光学半导体元件和管脚安装/结合在子固定件上面的情况下，要求在子固定件的六个面上形成同样种类的焊接层。另外，在将光学半导体元件结合在子固定件主面上的整个焊接层上后，可以利用熔点低的粗成品焊料将管脚结合在反面上。反之亦然，将管脚结合后，再将光学半导体元件安装在适当位置。还可以用同样的顺序用熔点低的粗成品焊料将光学半导体元件和管脚连接在适当位置。
作为代表性的例子，光学半导体元件可以是激光二极管或发光二极管。例如，半导体材料可以是选自III-V族的半导体化合物如GaAs或InP，也可以是GaN型半导体。同样，光学半导体元件可以是顶部发射型或底部发射型。应当理解的是，如果用底部发射型半导体器件作为激光二极管(在这种半导体器件中，沿相对于激光二极管和焊接层结合处的激光二极管侧面上形成发光部分)，则其散热性可得到进一步提高，因为发光部分(发热部分)将置于更接近衬底的位置。在光学半导体元件的表面上形成SiO等的绝缘层和Au等的电极2层。为了确保其和焊接层有足够高的吸湿度，作为电极层的Au厚度优选是约0.1-10μm。
例如，金属或陶瓷可以用作管脚材料。Cu、Al、W、Mo、Fe、Ni和含这些金属的合金和复合材料可以用作金属。可以给出的这些合金的例子有Fe-Ni和Ni-Fe-Co；可以给出的这些复合材料的例子有Cu-W等，还可以是从本发明中得到的Cu-W。本发明优选在管脚表面上形成Ni或Au薄膜，或含这些金属的薄膜。这些薄膜可以用气相沉积法或电镀法形成。管脚的导热系数优选是100W/m.K或更大，更优选200W/m.K或更大。
本发明的半导体器件是承载在子固定件上的光学半导体元件，并且在其相对侧上将管脚结合在反面上，该半导体器件具有优异的散热性能，能够处理输出功率日益增加的器件。
实施方案1
准备8种具有表I所示的粒径分布和铁族杂质的钨粉末。在本发明中，用测量粒径分布用的激光干涉仪系统测定粉末中的粒径分布。将钨粉末加入搅拌混合器，加入丙烯酸有机粘结剂，丙烯酸有机粘结剂的加入量是相对于钨粉末的0.1wt％，然后用醇作为混合介质混合1小时，以此形成粒径约为85μm的二次颗粒。测定得到的每一种粒状粉末中含有的杂质中的铁族金属含量；在混合过程中没有发生掺混，但是从首次混合开始其组成就没有变化。
表I
W粉末序号 粒径分布(μm) 铁族杂质(wt％)
 5％  50％  95％  Fe  Ni  Co
 1  0.22  1.1  1.7  0.0008  0.0003  0.0001
 2  0.92  3.3  8.3  0.0006  0.0001  0.0002
 3  1.2  5.8  9.1  0.0007  0.0003  0.0002
 4  2.4  8.3  11.7  0.0007  0.0003  0.0001
 5  3.4  11.6  16.4  0.0009  0.0002  0.0002
 6  6.4  22.3  31.5  0.0007  0.0003  0.0002
 7  8.8  30.5  43.0  0.0006  0.0001  0.0001
 8  11.2  38.8  54.8  0.0008  0.0001  0.0002
(注：表中“粒径分布”栏中的5％、50％和95％表示累积wt％)
然后在粉末成型压力机中通过将它们压力成型将上述粒状粉末制成30×15×2mm的平板。用下述方法除去这些模制品中的有机粘结剂：在氢气气流中在400℃下加热1小时，然后在900℃下加热1小时。然后在氢气气流中在1300℃下进行中间烧结，生成各种钨多孔体。用渗汞孔隙率测定仪(mercury porosimeter)测定得到的钨多孔体的孔径分布。应当注意的是，在处理过程中在用含至少5％的粒径为30μm或更大的颗粒的表I中序号为8的粉末制成的钨多孔体的边线部分中确实有碎屑。
然后准备其量足以填充钨多孔体孔隙体积的铜片，将钨多孔体置于铜片上，通过在氢气气流中在1200℃下加热熔融铜、渗铜，生成Cu-W合金。测量在这种情况下没有完成渗铜的发生率，下面的表II中示出该发生率和前面已经测定的钨多孔体的孔径分布。
表II
 W粉末序号 钨多孔体的孔径分布(μm) 没有完成渗铜的发生率(％)
 5％  50％  95％
 1*  0.99  0.54  0.29  82
 2  1.2  0.63  0.33  12
 3  1.8  0.82  0.39  8
 4  2.0  0.98  0.43  6
 5  2.8  1.2  0.55  0
 6  9.1  2.8  0.85  0
 7  28.4  6.5  1.45  0
 8*  90.4  15.2  2.51  0
(注：表中标有“*”的样品是对比实施例。另外，表中“钨多孔体的孔径分布”栏中的5％、50％和95％表示累积比表面积)
从表II可清楚地看到：在本发明的所有样品中，在累积比表面积为95％时的孔径是0.5μm或更大且在累积比表面积为5％时的孔径是30μm或更小(序号为5-7的W粉末)的钨多孔体没有发生没有完成的渗透；在累积比表面积为95％时的孔径是0.3μm(序号为2-4的W粉末)的样品的没有完成渗透的发生率急剧降低。
从这些结果可以清楚地看到：在累积比表面积为95％时的孔径是0.3μm或更大且在累积比表面积为5％时的孔径是30μm或更小时，可以通过降低没有完成渗铜的发生率提高生产率，同时，即使在不使用传统上为提高吸湿度而加入的铁族金属的情况下，也可以通过消除没有完成渗铜的发生的可能性而充分渗铜。
实施方案2
向前面表I所示的序号为2-7的钨粉末中加入作为铁族金属的平均粒径为1μm的铁粉和镍粉，如果需要还可加入平均粒径为5μm的铜粉，其组成比例示于下面表III。与实施方案1相同，将这些粉末和丙烯酸有机粘结剂加入搅拌混合器，然后用醇作为混合介质混合1小时，以此形成粒径约为85μm的二次颗粒。测定得到的每一种粒状粉末中含有的杂质中的铁族金属含量；在混合过程中没有发生掺混，但是从首次混合开始其组成就没有变化。
然后在粉末成型压力机中通过将它们压力成型将这些粒状粉末制成30×15×2mm的平板。用下述方法除去这些模制品中的有机粘结剂：在氢气气流中在400℃下加热1小时，然后在900℃下加热1小时。然后，一部分模制品作为本体使用，一部分模制品在下面表III所示的温度下在氢气气流中进行中间烧结，生成各种钨多孔体。
表III
样品 W粉末序号     添加金属(wt％)   中间烧结温度(℃)
    Fe     Ni     Cu
    1     2     0     0     0     1300
    2     3     0     0     0     1300
    3     4     0     0     0     1300
    4     5     0     0     0     1300
    5     6     0     0     0     1300
    6     7     0     0     0     1300
    7     5     0     0     0     1350
    8     5     0     0     0     1250
    9     5     0     0     0     1200
    10     5     0     0     0     1150
    11     5     0     0.005     0     1300
    12     5     0     0.01     0     1300
    13     5     0     0.015     0     1300
    14     5     0     0.02     0     1250
    15     6     0     0.02     0     1250
    16     7     0     0.02     0     1250
    17     2     0     0.02     0     1250
    18     3     0     0.02     0     1250
    19     4     0     0.02     0     1250
    20     5     0     0.1     0     1200
    21     6     0     0.1     0     1200
    22     7     0     0.1     0     1200
    23     5     0     0.1     0     1200
    24     5     0     0.1     0     1200
    25     5     0     0.1     3     1200
    26     5     0     0.1     1     1300
    27     5     0     0     0     1300
    28     5     0     0.1     0     1300
    29     5     0     0     10     1300
    30     5     0     0     15     1300
    31     5     0     0     25     1300
    32     5     0     0     35     1300
    33     5     0     0     0     -
然后准备其量足以填充钨多孔体孔隙体积的铜片，将钨多孔体置于铜片上，通过在氢气气流中在1200℃下加热熔融铜、渗铜，生成Cu-W合金。将得到的Cu-W合金加工，除去表面上多余的铜。测量它们的密度、导热系数和热膨胀系数；这些测试结果和铜渗透量一起示于下面的表IV。
表IV
   样品  W粉末序号     密度(g/cm3) Cu渗透量(wt％)  热膨胀系数(ppm/℃)   导热系数(W/m.K)
    1     2     17.0     11     6.5     212
    2     3     17.0     11     6.5     214
    3     4     17.0     11     6.5     215
    4     5     17.0     11     6.5     217
    5     6     17.0     11     6.5     215
    6     7     17.0     11     6.5     211
    7     5     17.7     8     5.7     208
    8     5     16.4     15     7.8     229
    9     5     15.6     20     9.3     244
    10     5     15.0     25     10.8     259
    11     2     17.0     11     6.5     212
    12     3     17.0     11     6.5     208
    13     4     17.0     11     6.5     203
    14     5     17.0     11     6.5     195
    15     6     17.0     11     6.5     197
    16     7     17.0     11     6.5     199
    17     2     17.0     11     6.5     200
    18     3     17.0     11     6.5     198
    19     4     17.0     11     6.5     195
    20     5     17.0     11     6.5     182
    21     6     17.0     11     6.5     186
    22     7     17.0     11     6.5     188
    23     5     17.0     11     6.5     190
    24     5     17.0     11     6.5     188
    25     5     17.0     11     6.5     186
    26     5     17.0     11     6.5     190
    27     5     17.0     11     6.5     188
    28     5     17.0     11     6.5     190
    29     5     16.4     15     7.8     229
    30     5     15.6     20     9.3     244
    31     5     14.1     30     10.5     252
    32     5     13.2     40     12.1     273
    33     5     17.0     11     6.5     216
从上面的表III和IV可以清楚地看到：钨含量为91wt％或更低时的导热系数在铁族金属的添加量低于0.02wt％时可升高到200W/m.K或更高；在添加量低于0.01wt％时可升高到210W/m.K或更高；在元素添加量为零而铁族金属含量低于0.002wt％时可升高到217W/m.K或更高(如实施例样品4)。同样，钨含量为81wt％或更低时的导热系数在铁族金属的添加量低于0.02wt％时可达到230W/m.K或更高。
实施方案3
制造包括承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分的半导体散热衬底。在这种情况下，在压力成型工序中用下述(1)-(6)的方法制造模制品。
(1)如图1所示，使用NC多轴压力机，其中，下冲杆2a和2b分别在中心部分和外缘部分对着上冲杆1操作；如(a)所示，中心部分的下冲杆2a有一定程度的上推，在压力机中装入在上表I中示为序号5的W粉末3；然后如(b)所示，在压力机中挤压W粉末3，改变中心部分和外缘部分的压力，从而得到如(c)所示的模制品A，其中心部分和外缘部分的密度不同，即，孔隙量不同。
(2)如图2所示，同样使用NC多轴压力机，其中，下冲杆2a和2b分别在中心部分和外缘部分对着上冲杆1操作；和(a)首先升高中心部分的下冲杆2a，在外缘部分中装入根据上表III的样品26混合的粉末4；然后如(b)所示，降低中心部分的下冲杆2a，将根据上表III的样品27混合的粉末5装入在中心部分处形成的凹窝；然后如(c)所示，在压力机中挤压粉末，从而得到如(d)所示的模制品B，其中心部分和外缘部分具有不同的粉末组成。
(3)如图3所示，使用具有上冲杆6和有凹窝的下冲杆7的NC多轴压力机；如(a)所示，在压力机中装入在上表I中示为序号5的W粉末3；然后如(b)所示，在压力机中挤压W粉末3，连续改变中心部分和外缘部分的压力，从而得到如(c)所示的模制品C，其中心部分和外缘部分的密度不同，即，孔隙量不同。
(4)如图4所示，使用NC多轴压力机，其中上冲杆8具有凸出部分，下冲杆9a和9b分别在中心部分和外缘部分操作；如(a)所示，中心部分的下冲杆9a有一定程度的上推，在压力机中装入在上表I中示为序号5的W粉末3；然后如(b)所示，在压力机中挤压W粉末3，改变中心部分和外缘部分的压力，从而得到如(c)所示的模制品D，其中间有凹窝并且其中心部分和外缘部分的密度不同，即，孔隙量不同。
(5)如图5所示，使用NC压力机，其中上冲杆10和下冲杆11中有多个孔，并且其中固定有与孔直径相同的芯棒12；如(a)所示，在压力机中装入在上表I中示为序号5的W粉末3；然后如(b)所示进行压力成型，从而得到如(c)所示的模制品E，其中心部分有多个对应于芯棒12位置处的孔。
(6)如图6所示，使用NC压力机，其中上冲杆13和下冲杆14的中心有一个孔，固定有与孔直径相同的芯棒15；如(a)所示，在压力机中装入在上表I中示为序号5的W粉末3；然后如(b)所示进行压力成型，从而得到如(c)所示的模制品F，其中心部分有对应于芯棒15位置处的通孔。
用与实施方案2同样的方法从如此得到的模制品中除去有机粘结剂，然后用与实施方案1同样的方法向模制品A-C中渗铜，用与实施方案1同样的方法向模制品D和E中渗铜的同时用铜填充凹窝和孔。再用与实施方案1同样的方法向模制品F中渗铜，然后将与中间通孔同样形状的铜片压入其中，通过在1050℃下进行加热工艺使其粘结。
然后用喷砂法除去粘在外缘上的多余铜，在生产的包括中心部分和与其材料不同的外缘部分的半导体散热衬底的上下表面上进行抛光，在衬底的中心部分和外缘部分之间不存在铜焊接材料和粘结材料。确定每一个得到的不同的半导体散热衬底的中心部分和外缘部分中的导热系数和热膨胀系数。
实施方案4
利用在上表I中示为序号5的W粉末(没有添加金属)，用实施方案3的方法(1)制造中心部分和外缘部分具有不同孔隙量的模制品；用与实施方案1同样的方法渗铜，生产半导体散热衬底。该半导体散热衬底在中心部分中的导热系数是244W/m.K，在外缘部分中的导热系数是217W/m.K，而其在中心部分中的热膨胀系数是8.3×10-6/℃，在外缘部分中的热膨胀系数是6.5×10-6/℃。
用该半导体散热衬底实际生产组件和半导体器件。具体来说，如图10所示，生产30×15×2mm的半导体散热衬底30，在其表面上电镀厚度为1μm的Ni。将由氧化铝制成的陶瓷密封环31和由Fe-Ni-Co合金制成的电极终端32铜焊接在衬底正面上，从而生产出用于高频器件的组件。分析如此生产的多个组件的底面翘曲度，测定的所有组件的翘曲度都是每毫米长度1μm或更小。在本发明中用下述方法分析翘曲度：将测试片置于压板上，沿矩形(30mm×10mm)主面的两个对角线方向运行千分表(dialgauge)(扫描距离是29mm)，测量距压板的最大高度值和最小高度值，找到两个高度差值的最大值，除以对角线的计量长度，取较大的值作为样品的翘曲度。
然后在组件上镀Ni，再然后镀Au。在其承载半导体元件的部分上将由GaAs制成的芯片与Au-Ge焊料结合。温度升高/下降-65℃×10min和+150℃×10min的热循环试验重复进行200次，但是没有探测到畸变。然后用螺丝将半导体器件固定在由铜制成的衬底上，将GaAs芯片投入实际运行，可以证实其具有正常功能。
实施方案5
加入3wt％的平均粒径为5μm的Cu粉，和含有作为铁族杂质的6ppm的Fe、3ppm的Ni和2ppm的Co的平均粒径为13μm的W粉末混合。将该粉末混合物加入搅拌混合器，用丙烯酸有机粘结剂将其结合，丙烯酸有机粘结剂的加入量是相对于粉末净重的0.1wt％，然后用醇作为混合介质混合1小时，以此形成平均粒径约为85μm的二次颗粒。
测定得到的粉末混合物中含有的杂质中的Fe和Ni的含量；在混合过程中没有发生掺混，但是从首次混合开始其组成就没有变化。然后在粉末成型压力机中通过将粉末成型制造30×15×2.5mm的平板状模制品。在这种情况下，使用其下冲杆分别在中心部分和外缘部分中操作的NC多轴压力机；在中心部分和外缘部分的粉末上改变压力，从而得到20种模制品，其中心部分和外缘部分的密度不同，即，孔隙量不同。
用下述方法除去这些模制品中的粘结剂组分：在氢气气流中在400℃下加热1小时，然后在900℃下加热1小时。然后在氢气气流中在1300℃下进行烧结；准备其量足以填充烧结体孔隙体积的铜片，将烧结体置于铜片上；通过在氢气气流中在1200℃下加热使铜渗入孔隙，从而生产出Cu-W合金。然后将其在900℃下热处理1小时，用喷砂法除去粘在外缘上的多余铜，将上下表面抛光，生产半导体散热衬底。
得到的半导体散热衬底示于下面表V：中心部分中的Cu含量分为两种，35wt％和45wt％，中心部分的导热系数分别为262W/m.K和280W/m.K。同样，外缘部分中的Cu含量是从7wt％到16wt％的每1wt％的值。
用该半导体散热衬底实际生产半导体器件。半导体器件如图11所示，用机压法在30mm×15mm×2mm的半导体散热衬底33的右/左侧形成U形沟槽33a。在该衬底33上电镀厚度为5μm的Ni，在Ni镀层上再电镀厚度为0.5μm的Ni-P，然后在氢气气流中在800℃下进行热处理。然后将陶瓷密封环34a和由Fe-Ni-Co合金制成的电极终端35铜焊接在衬底33上。然后电镀Ni，再然后电镀Au，从而生产出用于高频器件的组件。
同时，半导体器件如图12所示，用机压法在30mm×15mm×2mm的半导体散热衬底33的右/左侧形成孔洞33b。该半导体器件与图11的器件正好相反，陶瓷绝缘板36铜焊接在由Fe-Ni-Co合金制成的密封环34b和由Fe-Ni-Co合金制成的电极终端35之间。
用与实施方案4同样的方法分析这些组件的底面翘曲度(扫描距离是29mm)，结果示于下面的表V。在密封环在上面的情况下，至于本申请中的翘曲方向，取中心部分接地的方向为正向(+)。外缘部分中的Cu含量为15wt％或更低时可以使翘曲度为1μm/mm或更小。对于图11中的外围机械器件是由氧化铝制成的情况，外缘部分中的Cu含量为10wt％或更低时可以使翘曲度为1μm/mm或更小。另外，翘曲方向可以是中心部分接地的方向。
表V
  样品     Cu含量(wt％) 电镀后的翘曲度(μm)   翘曲度(μm)
  中心部分   外缘部分   图11   图12
    31     35     7     6     13     22
    32     35     8     6     10     20
    33     35     9     6     4     15
    34     35     10     6     -5     10
    35     35     11     7     -14     2
    36     35     12     7     -30     -7
    37     35     13     8     -50     -15
    38     35     14     8     -73     -19
    39     35     15     8     -95     -25
    40     35     16     8     -110     -28
    41     45     7     7     5     28
    42     45     8     8     0     25
    43     45     9     8     -8     22
    44     45     10     8     -15     15
    45     45     11     8     -31     13
    46     45     12     8     -45     10
    47     45     13     8     -60     2
    48     45     14     9     -80     -6
    49     45     15     9     -100     -29
    50     45     16     9     -120     -35
实施方案6
准备实施方案1的表I中所示的6种具有不同铁族杂质含量和粒径分布的W粉末。将下表VI所示的添加金属混入这些W粉末。将这些粉末混合物加入搅拌混合器，用丙烯酸有机粘结剂将其结合，丙烯酸有机粘结剂的加入量是相对于粉末净重的0.1wt％，然后用醇作为混合介质混合1小时，以此形成平均粒径约为85μm的二次颗粒。
测定得到的粉末混合物中含有的铁族杂质中的Fe和Ni的含量；在混合过程中没有发生掺混，但是从首次混合开始其组成就没有变化。然后在粉末成型压力机中通过将这些混合粉末成型制造30×15×2.5mm的平板状模制品。在这种情况下，使用其下冲杆分别在内部和外缘部分中操作的NC多轴压力机；在中心部分和外缘部分的粉末上改变压力，从而得到模制品，其中心部分和外缘部分的密度不同，即，孔隙量不同。
用下述方法除去这些模制品中的粘结剂组分：在氢气气流中在400℃下加热1小时，然后在900℃下加热1小时。然后在氢气气流中在1300℃下进行烧结；准备其量足以填充烧结体孔隙体积的铜片，将烧结体置于铜片上；通过在氢气气流中加热到1200℃下使铜渗入孔隙，从而生产出Cu-W合金。然后将其在900℃下热处理1小时，用喷砂法除去粘在外缘上的多余铜，将上下表面抛光，生产半导体散热衬底。
得到的半导体散热衬底的中心部分中的Cu含量是40wt％，中心部分的导热系数为273W/m.K。同样，外缘部分中的Cu含量是8wt％。用与实施方案5同样的方法用得到的半导体散热衬底生产用于高频器件的图11所示的组件。
用与实施方案4同样的方法分析这些组件的底面翘曲度(扫描距离是30mm)，测量结果的最大值和最小值及平均值示于下面的表VI。再测量纵向尺寸，将最大值和最小值的差值除以平均值，将得到的数值定义为每毫米的尺寸波动度。半导体散热衬底中铁族杂质含量是0.02wt％或更低时可以使尺寸波动度为2μm/mm或更小，使翘曲波动度(warpageirregularity)降至40μm或更小。另外，W粉末的平均粒径是5-20μm时，可以将翘曲波动度控制为20μm或更小；希望使W粉末的平均粒径是10-20μm，以使尺寸波动度是1μm/mm或更小，并且能够与翘曲方向一致。
表VI
  样品   W粉末序号      添加金属(wt％) 尺寸波动度(μm)           翘曲度(μm)
    Fe   Ni     Cu   最大值   最小值   平均值
  51     2     0   0     3     1.3     25     -10     5
  52     3     0   0     3     1.2     18     -8     5
  53     4     0   0     3     0.6     15     0     6
  54     5     0   0     3     0.7     14     2     5
  55     6     0   0     3     0.8     14     1     6
  56     7     0   0     3     0.9     15     2     6
  57     5     0   0.02     0     2.1     28     -15     7
  58     5     0   0.02     3     1.9     30     -15     7
  59     5     0   0.1     0     2.5     32     -15     7
  60     5     0.1   0     0     2.9     32     -16     7
  61     5     0   0.1     3     2.5     32     -17     7
实施方案7
用实施方案2中制造的样品4、9、17和20生产的Cu-W材料制造下面表VII中所示的子固定件样品S1-S25。具体来说，用下述方法形成子固定件衬底：将每一种Cu-W材料切割成1.8×0.6×0.3mm，然后将边线部分倒角，如图7所示，倒角尺寸为C。
在子固定件衬底的整个表面上电镀2μm厚的Ni，作为粘结层，然后在氢气气氛中在600℃下进行烧结工艺。然后用溅射法在Ni镀层上形成Pt薄膜，作为防扩散层，其在主面和反面上的厚度是1μm，在侧面上的厚度是0.7μm。
然后在防扩散层上形成焊接层。焊接层的实体材料、主面和侧面上的膜厚及形成焊接层的侧面数目示于下面表VII。在本发明中，在反面上形成的焊接层厚度也与主面上的相同。另外，对于样品S16、S17和S18来说，用溅射法形成焊接层；对于所有剩余的样品来说，使用气相沉积法。
表VII
  样品 Cu-W材料(表V) 倒角尺寸C(μm)     焊接层
  材料   主面膜厚   形成的侧面编号   侧面膜厚
    S1     39     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S2     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S3     50     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S4     47     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S5     34     8  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S6     34     28  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S7     34     40  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S8     50     8  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S9     50     28  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S10     50     40  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S11     47     8  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S12     47     28  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S13     47     40  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S14     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     0.8
    S15     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0   1(发光面)     0.8
    S16     39     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     4.5     4     2.2
    S17     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     1.5
    S18     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     3.0     4     1.1
    S19     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     4.0     4     0.5
    S20     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     2.0     4     0.3
    S21     34     ＜5.0  Au∶Sn＝8∶2     1.0     4     0.8
    S22     39     ＜5.0  Ag∶Sn＝4∶6     3.0     4     0.8
    S23     34     ＜5.0  Ag∶Sn＝4∶6     3.0     4     0.8
    S24     50     ＜5.0  Ag∶Sn＝4∶6     3.0     4     0.8
    S25     47     ＜5.0  Ag∶Sn＝4∶6     3.0     4     0.8
(注：焊接层材料下面的组成表示重量比。焊接层膜厚以μm为单位)
然后，用这些实施方案中制造的样品生产的Cu-W基底材料作为连接每一个子固定件的管脚，并在其表面上电镀3μm厚的Au。另外，准备GaAs半导体激光二极管(LD)元件。LD元件是底部发射型，其输出功率是400mW，其形状是0.3mm宽×1.2mm长×0.15mm厚，其发光部分是距底面0.03mm的部分。
利用各自的焊接层将LD元件结合在每一个子固定件的主面上，同时将管脚结合在反面上。评价每一个得到的半导体器件的管脚和子固定件之间的结合条件及LD元件的发光效率，结果示于下面表VIII。首先用下述方法确定弯月面尺寸h：在100倍显微镜下观察，测量管脚和子固定件结合处形成的焊料的弯月面大小。
用基于MIL-STD-883C方法2019.4的模具切力试验测定子固定件和管脚的结合强度，对于每一种样品来说，测定10个样品的平均粒径。50MPa或更大的结合强度表示为“v.hi”，40MPa或更大且小于50MPa的表示为“hi”，30MPa或更大且小于40MPa的表示为“med”，小于30MPa的表示为“low”。另外，在150倍显微镜下观察管脚和子固定件的结合部分存在/没有裂痕。表VIII中的裂痕观察1是结合后就直接观察的结果；而裂痕观察2表示-40℃×30min到+150℃×30min的热循环试验重复进行100次后的观察结果。
另外，使剩余5个样品的10个半导体器件实际发光，确定发光元件数目和发光效率的平均值。发光元件数目表示在20个和样品安装在一起的LD元件中能够在没有因为发光表面上的突出焊料产生的屏蔽的情况下发光的元件数目。同样，结合后就发光称为发光1，而-40℃×30min到+150℃×30min的热循环试验重复进行100次后的发光称为发光2；80％或更大的表示为“v.hi”；70％或更大且小于80％的表示为“hi”；50％或更大且小于70％的表示为“med”；小于50％的表示为“low”。
表VIII
样品 管脚和子固定件的结合 激光二极管
弯月面尺寸(μm) 结合强度 裂痕观察1 裂痕观察2 元件数目 转换效率1 转换效率2
 S1  96  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S2  104  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S3  92  v.hi 没有 没有 20/20  hi  hi
 S4  98  v.hi 没有 没有 20/20  hi  hi
 S5  76  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S6  35  v.hi 没有 没有 20/20  hi  hi
 S7  25  hi 没有 没有 20/20  hi  med
 S8  72  v.hi 没有 没有 20/20  hi  med
 S9  36  v.hi 没有 没有 20/20  med  med
 S10  22  hi 没有 没有 20/20  med  low
 S11  70  v.hi 没有 没有 20/20  med  med
 S12  44  v.hi 没有 没有 20/20  med  med
 S13  18  hi 没有 没有 20/20  low  low
 S14  6  low 没有 存在 17/20  v.hi  v.hi
 S15  发光面：86；其它面：6  hi 没有 存在 20/20  v.hi  v.hi
 S16  192  v.hi 没有 没有 18/20  v.hi  v.hi
 S17  185  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S18  190  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S19  144  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S20  72  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S21  28  hi 没有 没有 20/20  hi  med
 S22  88  v.hi 没有 没有 20/20  v.hi  v.hi
 S23  100  v.hi 没有 没有 20/20  hi  hi
 S24  92  v.hi 没有 没有 20/20  med  med
 S25  88  v.hi 没有 没有 20/20  med  med
(注意：在所有侧面上的弯月面相同；只有在样品15中，发光面和其他面存在区别。)
工业实用性
本发明可以用其导热性比传统Cu-W合金的导热性提高的Cu-W合金生产半导体散热衬底、子固定件和半导体器件，本发明可以除去或减少一直是渗铜所必需的铁族金属的加入量，并且不会出现剩余铜等生产问题。另外，将多种组成不同的Cu-W合金和铜结合可以低成本地生产其中心部分和外缘部分中的导热性和热膨胀系数不同的半导体散热衬底，还可以提供翘曲度小而导热性高的组件和半导体器件。

Claims (39)

1、一种半导体散热衬底，其是用铜-钨合金制成的，该合金是其孔内渗入铜的钨多孔体，该半导体散热衬底的特征在于：累积比表面积为95％时的所说的钨多孔体的孔径是0.3μm或更大，累积比表面积为5％时的所说的钨多孔体的孔径是30μm或更小。
2、根据权利要求1所述的半导体散热衬底，其特征在于：所说的铜-钨合金内的铁族金属含量低于0.02wt％。
3、根据权利要求1所述的半导体散热衬底，其特征在于：累积比表面积为95％时的所说的钨多孔体的孔径是0.5μm或更大。
4、根据权利要求3所述的半导体散热衬底，其特征在于：所说的铜-钨合金内的铁族金属含量是0.002wt％或更低。
5、根据任一权利要求1-4所述的半导体散热衬底，其特征在于：所说的钨多孔体中的钨的平均粒径是5-20μm。
6、根据任一权利要求1-5所述的半导体散热衬底，其特征在于：所说的钨多孔体中的钨的平均粒径是10-20μm。
7、根据任一权利要求1-6所述的半导体散热衬底，其特征在于：其中的钨含量是91-75wt％时，其导热系数是210W/m.K或更大。
8、根据任一权利要求1-7所述的半导体散热衬底，其特征在于：其中的钨含量是81-75wt％时，其导热系数是230W/m.K或更大。
9、一种半导体散热衬底的生产方法，该半导体散热衬底是用铜-钨合金制成的，该合金是其孔内已渗入铜的钨多孔体，该半导体散热衬底的生产方法包括：将钨粉末和有机粘结剂混合的步骤；将粉末混合物压力成型的步骤；加热模制品，从其中除去有机粘结剂的步骤；和在该状态下的钨多孔体或已经进行过中间烧结的钨多孔体中渗入熔融铜的步骤；其特征在于：粒径为0.5μm或更小的粉末在所说的钨粉末中的含量是5％或更低，粒径为50μm或更大的粉末的含量是5％或更低。
10、根据权利要求9所述的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：粒径为3μm或更小的粉末在所说的钨粉末中的含量是5％或更低。
11、根据权利要求9或10所述的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：向所说的钨粉末中再加入低于0.02wt％的铁族金属粉末。
12、根据权利要求11所述的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：所说的铁族金属粉末的添加量是0.002wt％或更低。
13、根据任一权利要求9-12所述的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：向所说的钨粉末中加入的所说的有机粘结剂的量是0.2wt％或更低。
14、一种半导体散热衬底，其特征在于：该半导体散热衬底是用铜-钨合金制成的，该合金是其孔内已渗入铜的钨多孔体，该衬底由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成，所说的中心部分由铜或由铜含量高于外缘部分的材料制成；以及该衬底被集成在一起而所说的中心部分和所说的外缘部分之间不被粘合材料间断。
15、根据权利要求14所述的半导体散热衬底，其特征在于：构成所说的中心部分的材料与构成所说的外缘部分的材料具有不同的导热系数和/或热膨胀系数。
16、根据权利要求14或15所述的半导体散热衬底，其特征在于：构成所说的中心部分的材料的导热系数是250W/m.K或更大。
17、根据任一权利要求14-16所述的半导体散热衬底，其特征在于：所说的中心部分中的铜含量是30wt％或更高，所说的外缘部分中的铜含量低于30wt％。
18、根据任一权利要求14-17所述的半导体散热衬底，其特征在于：所说的外缘部分中的铜含量是10wt％或更低。
19、根据任一权利要求14-18所述的半导体散热衬底，其特征在于：在它的外缘侧面没有经过研磨或抛光工序的情况下使用，外缘侧面的尺寸精度是±2μm/mm。
20、根据权利要求19所述的半导体散热衬底，其特征在于：外缘侧面的尺寸精度是±1μm/mm。
21、根据任一权利要求14-20所述的半导体散热衬底，其特征在于：在镀镍后在750℃或更高温度下进行热处理后使用，热处理后其纵向翘曲度是1μm/mm或更小。
22、一种生产由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的方法，其特征在于：形成钨多孔体，其中，在用钨粉末将其成型的过程中，通过改变中心部分和外缘部分上的压力使其中心部分中的孔隙比例高于外缘部分中的孔隙比例；并将熔融铜渗入所说的钨多孔体。
23、一种生产由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的方法，其特征在于：在用钨粉末将其成型的过程中，通过改变中心部分和外缘部分中的钨粉末和添加金属粉末的百分比，形成中心部分和外缘部分具有不同的组成的钨多孔体；和将熔融铜渗入得到的钨多孔体。
24、一种生产由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的方法，其特征在于：通过在其中心部分形成有凹穴或形成有多个渗透或非渗透小孔，将熔融铜渗入在将钨粉末成型过程中得到的钨多孔体；同时用铜填充凹穴或小孔。
25、一种生产由承载半导体元件的中心部分和与其材料不同的外缘部分构成的半导体散热衬底的方法，其特征在于：形成中心有通孔的钨多孔体；将熔融铜渗入钨多孔体，然后将铜片压入中心通孔，或者先将铜片压入钨多孔体中的中心通孔，然后将熔融铜渗入其中；然后将钨多孔体进行热处理。
26、根据任一权利要求22-25所述的半导体散热衬底的生产方法，其特征在于：在镀镍后在750℃或更高温度下将钨多孔体进行热处理。
27、一种组件，该组件利用权利要求1-8或14-21的半导体散热衬底，其中，密封环和电极终端被铜焊接在半导体散热衬底的外缘部分上或者被铜焊接在承载半导体元件的中心部分周缘上。
28、一种组件，该组件利用权利要求14-21的半导体散热衬底，该半导体散热衬底同时还满足权利要求1-8的条件，其中，密封环和电极终端被铜焊接在半导体散热衬底的外缘部分上或者被铜焊接在承载半导体元件的中心部分周缘上。
29、根据权利要求27或28所述的组件，其特征在于：其上铜焊接所说的密封环和所说的电极终端后，所说的半导体散热衬底中的翘曲度是每毫米长度1μm或更小。
30、根据任一权利要求27-29所述的组件，其特征在于：所说的密封环由氧化铝制成。
31、根据任一权利要求27-30所述的组件，其特征在于：纵向翘曲方向是中心部分接地方向。
32、一种子固定件，其特征在于其装备有：利用权利要求1-8或14-21的半导体散热衬底的子固定件衬底；在所说的子固定件衬底的承载光学半导体元件的主面上的焊接层。
33、根据权利要求32所述的子固定件，其特征在于：在所说的承载光学半导体元件的主面上的角边是30μm或更小。
34、根据权利要求32或33所述的子固定件，其特征在于：在所说的子固定件的至少一个侧面上，从所说的主面上的焊接层开始连续形成焊接层。
35、根据权利要求34所述的子固定件，其特征在于：在所说的子固定件的所有侧面上，从所说的主面上的焊接层开始连续形成焊接层。
36、根据任一权利要求32-35所述的子固定件，其特征在于：在所说的子固定件的反面上形成焊接层，子固定件的反面在所说的主面的相对侧上。
37、根据任一权利要求32-36所述的子固定件，其特征在于：其装备有与所说的子固定件直接表面接触形成的粘结层。
38、根据权利要求37所述的子固定件，其特征在于：其装备有处于所说的粘结层和所说的焊接层之间的防扩散层。
39、一种半导体器件，其中，光学半导体元件安装在权利要求32-38所述的子固定件的适当位置处，管脚连接在其相对侧上的反面上。
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