CN212666860U - 一种金刚石铜/铜复合板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金刚石铜/铜复合板，属于电子封装材料技术领域。该金刚石铜/铜复合板由总层数为奇数且不少于3层的金刚石铜薄板、铜薄板互相交替组成，且两侧的最外层为金刚石铜薄板；相比普通无氧铜微通道或宏通道热沉，本实用新型金刚石铜/铜复合板具有热导率和抗弯强度更高、热膨胀系数与半导体芯片匹配的特点，封装结构和封装工艺进一步简化，半导体器件的散热能力、可靠性和质量稳定性明显提高。

Description

一种金刚石铜/铜复合板

技术领域

本实用新型涉及一种金刚石铜/铜复合板，尤其涉及一种带有通道的金刚石铜薄板与铜薄板交替排列的复合板，属于电子封装材料技术领域。

背景技术

散热问题已经成为影响功率半导体、激光二极管、大功率LED、超算芯片等半导体功率器件工作效率、可靠性和使用寿命的最大杀手之一。无氧铜材质的微通道和宏通道热沉（或散热器）是将多层无氧铜薄板利用自扩散或压力焊的方法结合在一起得到的一种带有通道的热沉（或散热器）。由于这类热沉（或散热器）具有体积小、散热效率高的特点，在功率半导体和激光二极管领域已经得到了比较广泛的应用。

但是，这种热沉（或散热器）存在三个方面的问题：第一，无氧铜的热导率仅为380~400 W/mK，无法满足大功率半导体器件更高散热效率的需要；第二，由于无氧铜的热膨胀系数为16.5~17.0×10^-6/K，与半导体芯片的热膨胀系数之间存在较大的失配，因此通常还需要在二者之间加一层WCu、MoCu、AlN、BeO、SiC/Al等材料作为过渡，不仅延长了散热路径，而且也增加了封装结构和工艺的复杂性，给封装产品的稳定性带来影响，同时也增加了成本，增加的WCu、MoCu、AlN、BeO、SiC/Al等过渡材料与微通道或宏通道热沉（或散热器）的无氧铜之间还存在热膨胀系数不匹配而产生热应力；第三，无氧铜的抗弯强度比较低，特别是经过回流焊接后，强度会进一步降低，不可避免地会出现弯曲变形，给芯片的封装和质量的一致性以及可靠性带来不利影响。

金刚石铜材料，即金刚石颗粒增强铜基复合材料，由于热导率远远高于现有WCu、MoCu、SiC/Al材料，热膨胀系数可通过控制金刚石体积含量调节至与半导体芯片或陶瓷基板匹配，且抗弯强度高于无氧铜，近年来受到相关科研机构和企业的广泛关注。但是，由于该材料是以自然界中硬度最高的金刚石作为增强相，使得该材料的加工问题成为限制其广泛应用的障碍，因此目前还没有用金刚石铜材料制作微通道或宏通道热沉（或散热器）的报道。

发明内容

本实用新型的目的是解决目前微通道和宏通道热沉（或散热器）存在的热导率不高、热膨胀系数与半导体芯片不匹配、抗弯强度较低问题，为进一步简化封装结构和封装工艺，提升半导体器件的散热能力，从而提升可靠性和质量稳定性提供一种新的技术方案。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：该金刚石铜/铜复合板由总层数为奇数且不少于3层的金刚石铜薄板（1）、铜薄板（2）互相交替组成，且两侧的最外层为金刚石铜薄板（1）。

金刚石铜薄板（1）为表面镀膜或不镀膜的金刚石颗粒增强铜基复合材料，厚度为0.05~10mm；当表面镀膜时，所述表面镀膜为钛、铬、钨、锆、铌、钒、硅、硼、钼中的一种或多种薄膜，厚度为1~1000nm；金刚石粒径为10~200μm，金刚石体积分数为10%~90%；铜基体为纯铜或铜合金；当所述铜基体为铜合金时，铜合金为含有钛、铬、钨、锆、铌、钒、硅、硼、钼、碲、硒、铁、锂、稀土金属中的一种或多种的铜合金，合金元素质量分数为0.05%~10%；金刚石颗粒与金属基体之间还存在1~5000nm厚的碳化物层，所述碳化物为碳化钛、碳化铬、碳化钨、碳化锆、碳化铌、碳化钒、碳化硅、碳化硼、碳化钼中的一种或多种。

铜薄板（2）为纯铜或铜合金，厚度为0.05~10mm；当铜薄板（2）为铜合金时，该铜合金含有钛、铬、钨、锆、铌、钒、硅、硼、钼、碲、硒、铁、锂、稀土金属中的一种或多种的铜合金，合金元素质量分数为0.05%~10%。

所述金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2）上分别设置有不同形状的镂空结构，所形成的复合板内有可供流体介质通过的通道。

本实用新型的有益之处在于，本实用新型将金刚石铜材料和铜两种材料交替叠放并连接为一个整体形成金刚石铜/铜复合板，通过在每一单层加工不同形状的镂空结构，可进一步得到带有通道的微通道和宏通道热沉（或散热器），提高了现有微通道和宏通道热沉（或散热器）的热导率和抗弯强度；表层的金刚石铜材料热膨胀系数与半导体芯片匹配，省去了额外WCu、MoCu、AlN、BeO、SiC/Al等材料作为过渡，简化封装结构和封装工艺，导热路径更短，提升半导体器件的散热能力，从而提升可靠性和质量稳定性。

附图说明

图1为金刚石铜/铜三层复合板结构示意图。

图2为带有通道的金刚石铜/铜三层复合板结构示意图。

图3为金刚石铜/铜五层复合板结构示意图。

图4为带有通道的金刚石铜/铜五层复合板结构示意图。

附图标记说明：1—金刚石铜薄板；2—铜薄板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。需要注意的是，以下仅仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

工艺过程：第一步，预加工：包括金刚石铜薄板（1）的预加工和/或铜薄板（2）的预加工，所述预加工包括整平、表面研磨、镂空加工、清洗、镀膜中的一个或多个工序；第二步，装配：将预加工好的金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2）按照金刚石铜薄板（1）、铜薄板（2）互相交替的顺序依次整齐地叠放在一起，且叠放后最外侧为金刚石铜薄板（1），得到总叠放层数为不少于3层的奇数层的装配体；第三步，连接：采用电阻焊、缝焊、热扩散、压力焊、真空热压烧结、放电等离子体烧结中的一种或多种将上述装配体连接成为一个整体，得到金刚石铜/铜复合板半成品；第四步，后加工：将上述金刚石铜/铜复合板半成品进行切割、整平、研磨、清洗、镀膜中的一个或多个工序处理后，即得金刚石铜/铜复合板。

实施例1

第一步，预加工：将尺寸为11.1×25.1×0.4和11.1×25.1×0.1的金刚石铜薄板（1）（金刚石粒径40μm、金刚石体积分数60%、基体为含Cr为1.5%的CuCr合金）和铜薄板（2）（无氧铜）分别进行整平、表面研磨加工并清洗干净；第二步，装配：将预加工好的金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2）按照金刚石铜薄板（1）、铜薄板（2）、金刚石铜薄板（1）的顺序依次交替整齐地叠放在一起，且叠放后最外侧为金刚石铜薄板（1），得到总叠放层数为3层装配体；第三步，连接：采用电阻焊的方法将上述装配体连接成为一个整体，具体工艺为压力20kN，电流20000A，通电时间15s，得到金刚石铜/铜复合板半成品；第四步，后加工：将上述金刚石铜/铜复合板半成品进行整平、研磨、清洗后，即得图1所示的金刚石铜/铜三层复合板。

经测试，该金刚石铜/铜复合板的综合热导率为482W/mK，综合热膨胀系数为7.9×10^-6/K，综合抗弯强度为272MPa。

实施例2

与实施例1不同的是，在第一步预加工中，整平后，将金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2）用激光切割的方法进行镂空加工，得到带有不同镂空结构的金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2），然后再进行表面研磨加工并清洗干净，其余步骤相同，最终得到带有通道的金刚石铜/铜三层复合板，结构如图2所示。

实施例3

第一步，预加工：将尺寸均为6.1×10.1×0.3的金刚石铜薄板（1）（金刚石粒径70μm、金刚石体积分数75%、基体为无氧铜，金刚石铜材料表面用磁控溅射的方法镀覆150nm厚的钛层）和铜薄板（2）（含0.33%铁、0.21%碲、0.003%锂、0.003%稀土金属的铜合金）分别进行整平、表面研磨加工并清洗干净；第二步，装配：将预加工好的金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2）按照金刚石铜薄板（1）、铜薄板（2）、金刚石铜薄板（1）、铜薄板（2）、金刚石铜薄板（1）的顺序依次交替整齐地叠放在一起，且叠放后最外侧为金刚石铜薄板（1），得到总叠放层数为5层装配体；第三步，连接：采用压力焊的方法将上述装配体连接成为一个整体，具体工艺为压力18kN，温度780℃，保温保压时间30min，得到金刚石铜/铜复合板半成品；第四步，后加工：将上述金刚石铜/铜复合板半成品进行整平、研磨、清洗后，即得图3所示的金刚石铜/铜五层复合板。

经测试，该金刚石铜/铜复合板的综合热导率为557W/mK，综合热膨胀系数为10.8×10^-6/K，综合抗弯强度为215MPa。

实施例4

与实施例3不同的是，在第一步预加工中，整平后，将金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2）用激光切割的方法进行镂空加工，得到带有不同镂空结构的金刚石铜薄板（1）和铜薄板（2），然后再进行表面研磨加工并清洗干净，其余步骤相同，最终得到带有通道的金刚石铜/铜五层复合板，结构如图4所示。

Claims (2)

1.一种金刚石铜/铜复合板，其特征在于该金刚石铜/铜复合板由总层数为奇数且不少于3层的金刚石铜薄板、铜薄板互相交替组成，且两侧的最外层为金刚石铜薄板。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石铜/铜复合板，其特征是金刚石铜薄板和铜薄板上分别设置有不同形状的镂空结构，所形成的复合板内有可供流体介质通过的通道。

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