CN222980496U - 一种金刚石基复合热沉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种金刚石基复合热沉，包括依次层叠连接在一起的金刚石层、过渡层和碳材料‑金属复合层；所述过渡层为铬、钨、钛或钼；所述碳材料‑金属复合层为金刚石铜、金刚石银或石墨铝。本实用新型将金刚石与碳材料‑金属复合材料复合在一起形成复合热沉，使用时，金刚石通过碳材料‑金属复合材料与散热器连接，从而解决了与散热器热膨胀系数不匹配的问题，优化了热沉总体散热性能，简化了后续封装工艺，从而提升产品可靠性。此外，金刚石与碳材料‑金属复合材料直接通过过渡层连接，可以提高金刚石与碳材料‑金属复合材料之间的结合力，保证结构的稳定性。

Description

一种金刚石基复合热沉

技术领域

本实用新型涉及一种金刚石/碳材料-金属复合热沉，属于电子封装技术领域。

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问题之一，金刚石由于其卓越的散热性能，作为新一代高性能散热材料受到广泛关注，然而，金刚石作为热沉直接使用还存在以下几个问题：第一，金刚石的热膨胀系数与传统散热器(铝、铜)存在较大的失配，与散热器直接焊接存在较大的应力，给芯片的封装和质量可靠性带来不利影响；第二，大尺寸金刚石的生产成本较高，制约了其应用场景。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种金刚石基复合热沉，以解决金刚石基散热热沉存在的生产成本高、与散热器热膨胀系数不匹配等问题。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种金刚石基复合热沉，包括依次层叠连接在一起的金刚石层、过渡层和碳材料-金属复合层；所述过渡层为铬、钨、钛或钼；所述碳材料-金属复合层为金刚石铜、金刚石银或石墨铝。

优选的，所述金刚石层为单晶金刚石或多晶金刚石。

优选的，所述金刚石层的厚度为0.1～3mm。

优选的，所述过渡层的厚度为0.1～5微米。

优选的，所述复合热沉总厚度为0.3～5mm。

优选的，所述碳材料-金属复合层的一表面开设有一凹槽，所述过渡层和金刚石层依次设置在所述凹槽的底面上。

优选的，所述碳材料-金属复合层的一表面为平面，所述过渡层和金刚石层依次设置在所述平面上。

优选的，所述金刚石层、过渡层和碳材料-金属复合层通过热压合连接方式连接在一起。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型将金刚石与碳材料-金属复合材料复合在一起形成复合热沉，使用时，金刚石通过碳材料-金属复合材料与散热器连接，从而解决了与散热器热膨胀系数不匹配的问题，优化了热沉总体散热性能，简化了后续封装工艺，从而提升产品可靠性。并且与碳材料-金属复合材料复合后，金刚石尺寸可以大大减小，从而解决了金刚石基散热热沉存在的生产成本高的问题。而相较于碳材料-金属复合材料自身形成的热沉，与芯片直接连结的金刚石片具有更高的散热性能与更匹配的热膨胀系数，更适用于高功率的发热场景。此外，金刚石与碳材料-金属复合材料直接通过过渡层连接，可以提高金刚石与碳材料-金属复合材料之间的结合力，保证结构的稳定性。本实用新型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。

进一步的，所述过渡层的厚度仅为0.1～5微米，可以在不影响散热效果的情况下保证结构稳定性。

进一步的，所述碳材料-金属复合层的一表面开设有一凹槽，所述过渡层和金刚石层依次设置在所述凹槽的底面上，从而形成嵌入式结构，相对于非嵌入结构，嵌入式结构通过横向包裹金刚石提升了产品的长期使用稳定性。

进一步的，金刚石层与碳材料-金属复合层以非焊接的方式连结在一起，可以克服焊料作为连接层带来的散热路径延长、封装结构和工艺复杂、良品率低、封装成本高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为碳材料-金属复合层与金刚石层非嵌合连接的示意图。

图2为碳材料-金属复合层与金刚石层嵌合连接的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本实用新型采用的技术方案是将金刚石与碳材料-金属复合为一个整体作为封装热沉使用。

本实用新型所述的复合热沉包括依次层叠连接在一起的金刚石层1、过渡层2和碳材料-金属复合层3；所述过渡层2为铬、钨、钛和钼中的一种。所述碳材料-金属复合层3为高导热碳材料与金属的复合层，所述高导热碳材料为金刚石、石墨或碳纤维，所述金属为铜、银或铝，所述碳材料-金属复合层3具体为金刚石铜、金刚石银或石墨铝。

本实用新型中采用的金刚石铜、金刚石银或石墨铝均根据现有技术获得。

所述金刚石层1为单晶金刚石或多晶金刚石，厚度在0.1～3mm，热导率在1000～2500W/mK。所述过渡层2的厚度为0.1～5微米。所述单晶金刚石或多晶金刚石均根据现有技术获得。

本实用新型所述的复合热沉总厚度为0.3～5mm，热导率为300～1000W/mK。

所述碳材料-金属复合层3的一表面开设有一凹槽，所述过渡层2和金刚石层1依次设置在所述凹槽的底面上，从而形成嵌入式结构。

当然，也可以是非嵌入式的结构，即所述碳材料-金属复合层3的一表面为平面，所述过渡层2和金刚石层1依次设置在所述平面上。

实施例1

本实施例所述的复合热沉包括依次层叠连接在一起的金刚石层1、过渡层2和碳材料-金属复合层3；所述过渡层2为铬层，厚度为1微米；所述碳材料-金属复合层3为金刚石铜，厚度为500微米；所述金刚石层1为单晶金刚石，厚度为200微米。所述碳材料-金属复合层3表面为平面，所述过渡层2和金刚石层1依次设置在所述平面上，形成非嵌入式结构，如图1所示。

本实施例所述复合热沉的制备方法为：将200微米、热导率为2000W/mK的单晶金刚石片表面通过PVD溅射一层1微米的铬层，通过热压的方式将单晶金刚石片与金刚石铜压合在一起(单晶金刚石片具有铬层的一面与金刚石铜接触)，其中，金刚石铜的厚度是500微米，热导率为600W/mK，压制后的样品进行研磨抛光处理，获得厚度为690微米的热沉。经测试，该金刚石/金刚石铜复合热沉的等效热导率为950W/mK。

实施例2

与实施例1不同的是，碳材料-金属复合层3与金刚石层1的连结方式是嵌入式的，所述碳材料-金属复合层3表面具有一凹槽，所述过渡层2和金刚石层1依次设置在所述凹槽底面上，形成嵌入式结构，如图2所示。

本实施例所述复合热沉的制备方法为：在金刚石铜的顶部采用激光加工形成200微米深的凹槽，将单晶金刚石片嵌入凹槽中(单晶金刚石片具有铬层的一面与凹槽底面接触)，随后热压形成目标制件。经测试，该金刚石/金刚石铜复合热沉的等效热导率为900W/mK。

实施例3

本实施例所述的复合热沉包括依次层叠连接在一起的金刚石层1、过渡层2和碳材料-金属复合层3；所述过渡层2为钛层，厚度为1微米；所述碳材料-金属复合层3为金刚石银，厚度为500微米；所述金刚石层1为单晶金刚石，厚度为300微米。所述碳材料-金属复合层3表面为平面，所述过渡层2和金刚石层1依次设置在所述平面上，形成非嵌入式结构，如图1所示。

本实施例所述复合热沉的制备方法为：将300微米、热导率为2000W/mK的单晶金刚石片表面通过PVD溅射一层1微米的钛层，通过热压的方式将单晶金刚石片与金刚石银压合在一起(单晶金刚石片具有钛层的一面与金刚石银接触)，其中，金刚石银的厚度是500微米，热导率为700W/mK，压制后的样品进行研磨抛光处理，获得厚度为690微米的热沉。经测试，该金刚石/金刚石银复合热沉的等效热导率为1050W/mK。

实施例4

本实施例所述的复合热沉包括依次层叠连接在一起的金刚石层1、过渡层2和碳材料-金属复合层3；所述过渡层2为钛层，厚度为1微米；所述碳材料-金属复合层3为石墨铝，厚度为2mm；所述金刚石层1为多晶金刚石，厚度为300微米。所述碳材料-金属复合层3表面为平面，所述过渡层2和金刚石层1依次设置在所述平面上，形成非嵌入式结构，如图1所示。

将300微米、热导率为1400W/mK的多晶金刚石片表面通过PVD溅射一层1微米的钛层，通过热压的方式将多晶金刚石片与石墨铝压合在一起(单晶金刚石片具有钛层的一面与石墨铝接触)，其中，石墨铝的厚度是2mm，热导率为500W/mK，压制后的样品进行研磨抛光处理，获得厚度为2.2mm的热沉。经测试，该金刚石/石墨铝复合热沉的等效热导率为550W/mK。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金刚石基复合热沉，其特征在于，包括依次层叠连接在一起的金刚石层(1)、过渡层(2)和碳材料-金属复合层(3)；所述过渡层(2)为铬、钨、钛或钼；所述碳材料-金属复合层(3)为金刚石铜、金刚石银或石墨铝。

2.根据权利要求1所述的金刚石基复合热沉，其特征在于，所述金刚石层(1)为单晶金刚石或多晶金刚石。

3.根据权利要求1所述的金刚石基复合热沉，其特征在于，所述金刚石层(1)的厚度为0.1～3mm。

4.根据权利要求1所述的金刚石基复合热沉，其特征在于，所述过渡层(2)的厚度为0.1～5微米。

5.根据权利要求1所述的金刚石基复合热沉，其特征在于，所述复合热沉总厚度为0.3～5mm。

6.根据权利要求1所述的金刚石基复合热沉，其特征在于，所述碳材料-金属复合层(3)的一表面开设有一凹槽，所述过渡层(2)和金刚石层(1)依次设置在所述凹槽的底面上。

7.根据权利要求1所述的金刚石基复合热沉，其特征在于，所述碳材料-金属复合层(3)的一表面为平面，所述过渡层(2)和金刚石层(1)依次设置在所述平面上。

8.根据权利要求1所述的金刚石基复合热沉，其特征在于，所述金刚石层(1)、过渡层(2)和碳材料-金属复合层(3)通过热压合连接方式连接在一起。