TWI760269B

TWI760269B - 散熱片之製法

Info

Publication number: TWI760269B
Application number: TW110128134A
Authority: TW
Inventors: 周邦彥; 魏輔均
Original assignee: 宏進金屬科技股份有限公司
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2022-04-01
Also published as: TW202305178A

Abstract

本創作提供一種散熱片之製法，利用冷噴塗法將鋁碳化矽粉末噴塗至一金屬基板上，形成一鋁碳化矽層，且該金屬基板與鋁碳化矽層具有良好的接合品質。本創作之散熱片之製法改善傳統粉末冶金之散熱片製程，具有步驟簡易、生產快速、設備耗損率低的優點，能具體提升散熱片的經濟價值及應用性。

Description

散熱片之製法

本創作關於一種散熱片之製法，尤指一種經由冷噴塗製備散熱片之製法。

散熱片廣泛用於包括中央處理器 (Central Processing Unit，CPU)、圖形處理器 (Graphic Processing Unit，GPU)、積體電路晶片、半導體元件等之散熱。近年來，因應雲端資料儲存與大數據運算、網路通訊、虛擬實境 (Virtual reality)、3D立體場景遊戲、電動車與風力發電高功率模組等需求，半導體積體電路 (Integrated Circuit，IC)晶片的效能不斷被提升，因驅動產生的單位面積熱量不斷增加，當產生的熱被蓄積而無法逸散時，多半會對半導體元件的驅動或周邊零件產生不良影響。目前已有在此半導體元件中安裝散熱風扇或散熱板等冷卻方法，然而，倘若系統具有多個高發熱元件，或者礙於半導體元件的空間限制，使用散熱風扇已經不足以應付散熱與容納空間的問題，取而代之的是具有更高散熱效能與空間利用率的水冷散熱片。

高功率的絕緣閘極雙極性電晶體 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)當今廣泛應用於電動車、電動車充電樁、5G基地台、終端通訊、AI伺服器與雲端大數據運算等領域。如圖1A所示，間接冷卻式IGBT模組10由下至上包含散熱鰭片11(又稱鋁合金熱沉)、熱界面層 (Thermal Interface Material Layer，TIM Layer)12、底板13、第一焊接層14、直接覆銅基板 (Direct Bonded Copper Substrate，DBC基板)15、第二焊接層16、晶片17，另透過導線18連接晶片17與電極19。其中，DBC基板15作為電路板使用，由於其厚度通常小於0.5毫米，非常容易破裂，故會在DBC基板15下方焊接底板13，再利用熱界面層12在底板13下方接合散熱鰭片11，以達成散熱的目的。此外，現有技術另開發直接冷卻式IGBT模組10，其層狀結構如圖1B所示，有別於間接冷卻式IGBT模組，直接冷卻式IGBT模組10省略了熱界面層與底板，將DBC基板15直接與散熱鰭片11接合，以進一步提高散熱效率與降低熱阻抗。

在圖1A之間接冷卻式IGBT模組10中，底板13之材質多為銅、鋁等金屬合金，銅及鋁之熱膨脹係數 (coefficient of thermal expansion，CTE)分別約16.5 ppm/K與23.2 ppm/K，而DBC基板15之材質多為氧化鋁或氮化鋁，氧化鋁及氮化鋁之CTE分別為8 ppm/K及4.4 ppm/K，以矽晶圓製成的晶片17之CTE約2.5 ppm/K。在CTE與熱傳導係數 (thermal conductivity)的考量下，DBC基板15已廣泛使用表面覆銅的氮化鋁基板，其CTE更接近於晶片17之CTE，因此，底板13、DBC基板15及晶片17三者之間，以底板13與DBC基板15二者的CTE差異最大，當IGBT模組10的工作溫度越高時，CTE差異引起的熱應力越大，最後導致整體IGBT模組10的疲勞失效。在圖1B之直接冷卻式IGBT模組10中，雖然省去底板造成CTE差異過大的問題，但仍然存在鋁製散熱鰭片11與DBC基板15二者之CTE差異過大的問題。

綜觀上述二種IGBT模組，不論其為圖1A或圖1B之態樣，IGBT模組10之熱能都需仰賴散熱鰭片11逸散，但是，錫焊於鋁製散熱鰭片11表面的可焊性不佳一直為業界所熟知的問題。常見的解決方法為在散熱鰭片11表面電鍍一銅層或化學鍍一鎳層，才能以錫焊將散熱鰭片11與圖1A的底板13或圖1B的DBC基板15接合，相當耗時與費工；另外，電鍍銅層具有熱均勻性低、附著力差的缺陷；化學鍍鎳層則因熱傳導係數低，導致整體熱阻抗難以降低，且可焊性改善空間有限。尤其，在圖1A之IGBT模組10中，熱界面層12由有機高分子材料製成，其更具有成本高及導熱效能隨時間遞減之缺陷，使得散熱鰭片11的低成本、輕量化等優勢難以發揮。因此，散熱鰭片11表面的接合品質為影響整體IGBT模組10之散熱效能與壽命的關鍵因素，致使本領域技術人員具有迫切需求找尋其他接合散熱鰭片11與DBC基板15之解決方案。

針對上述間接冷卻式IGBT模組存在CTE差異之問題，市場上出現以鋁碳化矽 (AlSiC)作為底板之材料，當鋁含量與碳化矽含量為2：3時，鋁碳化矽之CTE約7.7 ppm/K，其與DBC基板有相當接近的CTE，有利於解決CTE差異過大造成之疲勞失效。又，為了解決散熱鰭片與底板的接合品質不佳的問題，以鋁碳化矽作為底板的生產技術具有以下製備流程：(a)以粉末冶金技術，熱壓燒結出具備多孔性結構之碳化矽燒結體，同時此多孔性結構之孔洞為流通孔 (open pore)；(b)以擠壓鑄造技術，將熔融的鋁合金金屬液熔滲進入碳化矽燒結體之多孔性結構內，碳化矽燒結體下方設有一具鰭片造型的石墨模具，使得熔融的鋁合金金屬液經擠壓熔滲通過碳化矽燒結體後進入石墨模具中，使鋁碳化矽材料之底板與散熱鰭片同時在擠壓鑄造及熔滲鋁合金金屬液的過程中製得。然而，上述生產技術存在以下問題：(1)製程繁複：上述步驟(a)更包含步驟(a1)碳化矽粉末與造孔粉末經適當配比且充分混合後，使用模具預壓成形；步驟(a2)將該已預壓之混合粉末連同模具在適當的溫度、壓力以及氣體保護條件下進行熱壓燒結；以及步驟(a3)將造孔成份去除；(2)設備耗損率高：熔融的鋁合金金屬液會與石墨模具產生反應，造成石墨模具材質劣化、尺寸減損及使用壽命縮短。因此，業界有必要發展出能夠取代前述製程繁複、設備耗損率高之散熱鰭片的製法。

有鑑於現有技術存在的缺陷，本創作的一目的在於提供一製程簡易、生產快速、設備耗損率低之散熱片製法。

本創作的另一目的在於提供一散熱片製法，該製法所製得的散熱片之層體結構具有良好的接合品質及散熱效果。

為達成前述目的，本創作提供一種散熱片之製法，其包含：將鋁碳化矽 (AlSiC)粉末藉由冷噴塗法，以噴射速率200公尺/秒 (m/s)至800 m/s的惰性氣體噴塗至一金屬基板上，於該金屬基板上形成一鋁碳化矽層，得到一散熱片，其中以該鋁碳化矽粉末為100重量份，鋁 (aluminum，Al)含量為30至50重量份，碳化矽 (silicon carbide，SiC)含量為50至70重量份。

依據本創作，以適當之噴射速率將鋁碳化矽粉末噴塗至金屬基板上可確保鋁碳化矽粉末於金屬基板平整堆疊及鋁碳化矽層與金屬基板之鍵結強度，所得之散熱片的金屬基板與鋁碳化矽層具有良好的接合品質；又，由於冷噴塗製程具有低作業溫度及使用惰性載送氣體的特點，能確保鋁碳化矽粉末不易於冷噴塗過程中熔化或氧化，進而維持鋁碳化矽層的熱傳導性，使冷噴塗所製得之鋁碳化矽層相較傳統製備方法具有更佳的散熱效果，且本創作之製法有別於傳統粉末冶金之散熱片製程，具有步驟簡易、生產快速、設備耗損率低的優點，能具體提升散熱片的經濟價值及應用性。

本創作之製法所製得之散熱片更能應用於絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模組，根據本創作之製法製得的散熱片，該鋁碳化矽層與IGBT之直接覆銅基板具有相近的CTE，能有效降低散熱過程的熱應力，防止疲勞失效發生，進而提升IGBT模組的使用壽命。

應說明的是，鋁碳化矽粉末可透過鋁粉末及碳化矽粉末造粒(agglomerate)燒結獲得，造粒燒結的過程可選擇性地加入黏結劑及分散劑。舉例來說，黏結劑可以是聚乙烯醇縮丁醛 (polyvinyl butyral，PVB)或聚乙烯醇 (polyvinyl alcohol，PVA)，分散劑可以是磷酸三乙酯 (triethyl phosphate，TEP)或聚乙二醇 (poly(ethylene oxide)，PEG)；造粒所用的霧化器之轉速可以為10000 rpm至30000 rpm，所述霧化器之進口溫度可以為100°C至200°C，所述霧化器之出口溫度可以為70°C至150°C，所述霧化器之進料速率可以為3公斤/時至5公斤/時；燒結溫度可以為450°C至650°C。據此，鋁粉末與碳化矽粉末彼此黏合成為新的顆粒，可以降低冷噴塗過程中的粉末逸散，使所得鋁碳化矽層之成份分布更為均勻。

較佳的，以該鋁碳化矽粉末為100重量份，鋁含量可以為30至40重量份，碳化矽含量可以為60至70重量份。

於其中一種實施態樣中，該冷噴塗法可以於300°C至600°C進行。具體而言，冷噴塗之低作業溫度可以確保鋁碳化矽粉末於噴塗過程中不易熔化或氧化，進而維持鋁碳化矽層的熱傳導性。

於其中一種實施態樣中，該冷噴塗法可以於壓力1兆帕斯卡 (MPa)至8 MPa進行。

較佳的，該噴射速率可以為300 m/s至700m/s。

於其中一種實施態樣中，該鋁碳化矽粉末的粒徑可以為1微米至200微米。較佳的，該鋁碳化矽粉末的粒徑可以為5微米至100微米。具體而言，控制鋁碳化矽粉末的粒徑範圍能確保鋁碳化矽層的緻密性、進一步提升鋁碳化矽層與金屬基板之鍵結強度，且能於冷噴塗設備中順暢運輸。

較佳的，該惰性氣體可以為氮氣、氦氣或氬氣。更佳的，該惰性氣體可以為氮氣。

於其中一種實施態樣中，該鋁碳化矽層之厚度可以為40微米至20毫米；於另一種實施態樣中，該鋁碳化矽層之厚度可以為20毫米以上。較佳的，該鋁碳化矽層之厚度可以為80微米至10毫米。

於其中一種實施態樣中，該鋁碳化矽層之熱傳導係數可以為100 W/mK至240 W/mK。

於其中一種實施態樣中，該鋁碳化矽層之氣孔率小於0.5%。

於其中一種實施態樣中，該散熱片之金屬基板與鋁碳化矽層之鍵結強度可以為19.6 MPa至58.8 MPa。

於其中一種實施態樣中，該金屬基板可以為一鋁基板、一銅基板、一銀基板或其合金基板，所述合金基板可根據需求摻雜鋅、錳、矽、鎂等元素。較佳的，該金屬基板可以為一鋁合金基板。

於其中一種實施態樣中，該金屬基板之一側為鰭片結構，另一側為平整之金屬表面，所述鋁碳化矽粉末係藉由冷噴塗法噴塗至該金屬基板的平整之金屬表面。於另一種實施態樣中，該金屬基板之一側為鰭片結構，另一側為曲面之金屬表面，所述鋁碳化矽粉末係藉由冷噴塗法噴塗至該金屬基板的曲面之金屬表面。

以下，列舉數種實施例說明散熱片之製法的實施方式，所屬技術領域具有通常知識者可藉由下方實施例的內容輕易理解本創作能達到的優點及效果。應當理解的是，本說明書所列舉的實施例僅僅用於示範性說明本創作的實施方式，並非用於局限本創作的範圍，所屬技術領域具有通常知識者可以根據通常知識在不悖離本創作的精神下進行各種修飾、變更，以實施或應用本創作之內容。

實施例 1

鋁碳化矽 (AlSiC) 粉末之製備

首先，混合碳化矽粉末及鋁粉末得到一混合粉末。其中，以該混合粉末為100重量份，碳化矽粉末為65重量份，鋁粉末為35重量份。

將聚乙烯醇縮丁醛與磷酸三乙酯溶於乙醇，得到一漿液。其中，以該漿液為100重量份，聚乙烯醇縮丁醛為3重量份，磷酸三乙酯為0.4重量份。

將所述混合粉末加入所述漿液，得到一造粒漿液。其中，該混合粉末與該漿液之重量比為1：1。

將該造粒漿液加入旋轉蝶式霧化器之噴霧乾燥機(spray dry machine)，進行噴霧乾燥造粒，得到鋁碳化矽粉末前驅物。其中，該旋轉蝶式霧化器之轉速為10000 rpm，進口溫度為110℃至120℃，出口溫度為80℃至90℃，進料速率為4公斤/時。

將所述鋁碳化矽粉末前驅物進行真空脫脂燒結，於400°C之環境下持溫1小時至2小時去除有機物，接著，升溫至500°C至550°C進行擴散燒結2小時至3小時，接著，進行篩分得到實施例1之鋁碳化矽粉末 (即圖2之噴塗粉末P)，其粒徑為5微米至100微米。

散熱片之製備

請參照圖2，圖2為一冷噴塗裝置20，其具有一冷噴射沉積槍21、粉末儲存槽22、儲氣槽23，該冷噴射沉積槍21與粉末儲存槽22及儲氣槽23連接。所述粉末儲存槽23用於容置前述實施例1之鋁碳化矽粉末，儲氣槽23中裝有氮氣，氮氣輸送至冷噴射沉積槍21時被加熱至300℃以上，此時冷噴射沉積槍21中的氮氣壓力為1 MPa至8 MPa。

實施例1之鋁碳化矽粉末由粉末儲存槽22輸送至冷噴射沉積槍21，藉由高溫高壓的氮氣將噴塗粉末P由冷噴射沉積槍21以噴射速率200 m/s至800 m/s噴塗至一金屬基板31，製得一散熱片。其中，冷噴射沉積槍21與金屬基板31的距離為30毫米，冷噴射沉積槍21法線方向與其法線延伸交於金屬基板31之面切線所構成的夾角θ為90°。

請參照圖3所示，該散熱片30具有一金屬基板31及一鋁碳化矽層32，鋁碳化矽層32藉由前述冷噴塗法形成於該金屬基板31的平整金屬表面上。其中，該鋁碳化矽層32的厚度為5毫米。

實施例 2

實施例2與實施例1僅差異在鋁碳化矽粉末的製備，其製造流程說明如下。

鋁碳化矽粉末之製備

將聚乙烯醇與聚乙二醇溶於水，得到一漿液。其中，以該漿液為100重量份，聚乙烯醇為3重量份，聚乙二醇為0.3重量份。

將該造粒漿液加入旋轉蝶式霧化器之噴霧乾燥機，進行噴霧乾燥造粒，得到鋁碳化矽粉末前驅物。其中，該旋轉蝶式霧化器之轉速為25000 rpm，進口溫度為190℃至200℃，出口溫度為120℃至130℃，進料速率為4公斤/時。

將所述鋁碳化矽粉末前驅物進行真空脫脂燒結，於400°C之環境下持溫1小時至2小時去除有機物，接著，升溫至500°C至550°C進行擴散燒結2小時至3小時，接著，進行篩分得到實施例2之鋁碳化矽粉末 (即圖2之噴塗粉末P)，其粒徑為5微米至100微米。

散熱片之製備

實施例2之散熱片製備流程與實施例1之散熱片製備流程相同，請參照圖2及圖3，將實施例2之鋁碳化矽粉末透過冷噴塗裝置20，以噴射速率200 m/s至800 m/s之氮氣載送氣體噴塗至一金屬基板31，於金屬基板31上形成一鋁碳化矽層32，得到一散熱片30。其中，該鋁碳化矽層32厚度為5毫米。

於此，前述實施例所例示之實施方式中，圖2之冷噴射沉積槍21與金屬基板31之距離、冷噴射沉積槍21法線方向與其法線延伸交於金屬基板31之面切線所構成的夾角θ可以根據所欲製備之鋁碳化矽層32的緻密度、厚度及金屬基板31之表面起伏進行調整。

於其中一種實施態樣中，圖2之冷噴射沉積槍21與金屬基板31之距離可以為10毫米至100毫米。較佳的，圖2之冷噴射沉積槍21與金屬基板31之距離可以為10毫米至50毫米。

於其中一種實施態樣中，圖2之冷噴射沉積槍21法線方向與其法線延伸交於金屬基板31之面切線所構成的夾角θ可以為45°至90°。較佳的，所述夾角θ可以為50°至90°。

試驗例：鍵結強度

本試驗例以實施例1及2之散熱片為待測樣品，根據ASTM C633的標準方法，測定鋁碳化矽層與金屬基板間的鍵結強度，以評估鋁碳化矽層的結構內聚(cohesive)強度以及與金屬基板間的附著(adhesive)強度的平均表現。所得實施例1及2之散熱片的鋁碳化矽層與金屬基板間的鍵結強度皆為31±4.5 MPa。

綜上所述，本創作之製法所製得的散熱片中，金屬基板與鋁碳化矽層具有良好的接合品質，且該製法具有步驟簡易、生產快速、設備耗損率低的優點，能具體提升散熱片的經濟價值及應用性。

10:IGBT模組 11:散熱鰭片 12:熱界面層 13:底板 14:第一銲接層 15:直接覆銅基板 16:第二銲接層 17:晶片 18:導線 19:電極 20:冷噴塗系統 21:冷噴射沉積槍 22:粉末儲存槽 23:儲氣槽 30:散熱片 31:金屬基板 32:鋁碳化矽層 P:噴塗粉末

圖1A為間接冷卻式絕緣閘極雙極性電晶體 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模組之側視示意圖。圖1B為直接冷卻式絕緣閘極雙極性電晶體模組之側視示意圖。圖2為本創作之散熱片製程的示意圖。圖3為本創作之實施例1及2之製法所製得之散熱片的側視圖。

無。

30:散熱片

31:金屬基板

32:鋁碳化矽層

Claims

一種散熱片之製法，其包含：將鋁碳化矽粉末藉由冷噴塗法，以噴射速率200公尺/秒(m/s)至800m/s的惰性氣體噴塗至一金屬基板上，於該金屬基板上形成一鋁碳化矽層，得到一散熱片，其中以該鋁碳化矽粉末為100重量份，鋁含量為30至50重量份，碳化矽含量為50至70重量份，且該鋁碳化矽粉末經由鋁粉末與碳化矽粉末於450℃至650℃造粒燒結而得。
如請求項1所述之散熱片之製法，其中該噴射速率為300m/s至700m/s。
如請求項1所述之散熱片之製法，其中該鋁碳化矽粉末的粒徑為5微米至100微米。
如請求項1所述之散熱片之製法，其中，以該鋁碳化矽粉末為100重量份，鋁含量為30至40重量份，碳化矽含量為60至70重量份。
如請求項1所述之散熱片之製法，其中該惰性氣體為氮氣、氦氣或氬氣。
如請求項1所述之散熱片之製法，其中該冷噴塗法於300℃至600℃進行。
如請求項1或6所述之散熱片之製法，其中該冷噴塗法於壓力1兆帕斯卡(MPa)至8MPa進行。