銅鉬銅熱沉材料及製備方法

2023-04-28 03:08:41

專利名稱：銅鉬銅熱沉材料及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種微電子封裝使用金屬基平面層狀複合型電子封裝材料，特別是對 銅鉬銅金屬複合熱沉材料導熱性能的改進。
背景技術：
Cu/Mo/Cu複合層板(簡稱CMC)，因具有優良的導熱性能和可調節的熱膨脹係數， 並能與BeO、Al2O3陶瓷匹配，以及加工成本比較低，能夠顯著降低生產成本，是目前大功率 電子元器件首選電子封裝材料。此材料由兩面相對高導熱的銅1、3，中間低導熱的鉬層材料 (鉬或鉬銅合金)2，經熱軋複合(例如如中國專利CN1843691、CN1850436)、爆炸成形等方 法製得的平面疊層結構(圖1)。作為封裝材料主要散熱方式，依靠縱向(厚度方向)傳導 散熱，將承載其上的晶片等電子器件熱量導出散熱，即晶片將熱量傳導給封裝在裡層的銅 層，經縱向熱傳導，最後通過封裝在外層銅層向外散熱。然而由於中間層為低導熱層，所以 其縱向傳導散熱效果不夠理想，不能將熱量快速帶出，從而限制了作為更大功率密度晶片 封裝使用。有研究表明如果熱導率提高10 %，晶片功率密度可以提高10 %，如果能提高其 散熱性能，則可以實現器件的小型化和高功率。其次，疊層式複合結構，界面結合強度有限， 而使用過程中基板要經常承受熱應力循環，銅和鉬的熱膨脹係數不同(銅的熱膨脹係數約 為鉬的三倍)，在受熱或降溫時，銅鉬沿複合界面方向伸長或收縮不同，從而產生拉應力，拉 應力達到一定程度時，就會在結合界面上產生微裂紋，或者鼓泡，嚴重時使得界面大規模分 離，使用壽命縮短，甚至導致複合熱沉材料失效。上述不足仍有值得改進的地方。

發明內容
本發明目的在於克服上述已有技術的不足，提供一種縱嚮導熱性能更好，並能有 效延長使用壽命的銅鉬銅熱沉材料。本發明另一目的在於提供一種上述銅鉬銅熱沉材料製備方法。本發明第一目的實現，主要改進是在中間鉬層材料(鉬或鉬銅合金)上開有眾 多穿通厚度的通孔，並在各通孔中以鑲嵌形式嵌有伸至上下面層平面的銅芯，通過鑲嵌的 銅芯與兩面複合銅層接觸，加速了一側銅基板熱量向另一側銅基板的縱向傳導，從而提高 了 Cu/Mo/Cu複合層板縱向熱傳導能力，克服現有技術的不足，實現本發明目的。具體說， 本發明銅鉬銅熱沉材料，包括銅鉬銅三層複合，其特徵在於中間鉬層板上有眾多穿通厚度 的通孔，各通孔中鑲嵌有與鉬層板面齊平的銅芯，使所述熱沉材料線膨脹係數(CTE)為 6-8ppm/°C，熱導率(TC)至少增加10%及以上。中間鉬層上穿透銅芯，可以是均布於整個板面，也可以是主要集中於安放晶片等 器件區域。其開孔形式，可以是小孔多孔方式，也可以是大孔少孔方式，孔形可以為圓形，也 可以為其他多邊形，視銅芯放置方式而定。所述銅芯截面形狀，可以是圓形，也可以是其他 多邊形，為有利於打孔生產，本發明較好採用圓柱結構銅芯。銅芯兩端面與中間層板面齊 平，既有利於銅芯柱與兩側複合銅板的接觸連接，提高疊層間結合牢度，又有利於熱的縱向傳導。總開孔面積，視Cu/Mo/Cu三層厚度比不同而異，以滿足線膨脹係數為6-8ppm/°C，熱 導率至少增加10%以上為好。本發明銅芯柱設置，其中更好為在滿足線膨脹係數前提下，熱導率(TC)增加20% 或以上。本發明銅鉬銅熱沉材料製備，包括銅板與鉬層材料熱軋複合，其特徵在於先在鉬 層材料板面加工慣通孔，插入銅芯柱或用熔融銅液填充，加工兩面使銅芯與板面齊平，複合 銅板，熱軋或爆炸複合，退火處理，冷軋成最終產品。本發明填充銅芯，可以採用二類方法，一類為插入銅芯柱，可以是單個銅芯逐孔插 入，也可以將銅板加工成與開孔合金熱沉材料孔對應的釘板，整體插入，插入銅芯長度較好 略大於鉬層材料厚度，然後冷軋使銅芯脹孔；另一類為熔融銅液填充，例如將開孔鉬層材 料，放入熔融銅溶液中充填，也可以用熔融銅溶液澆注填孔，冷卻後磨加工兩面。本發明方法中，除在鉬層材料打孔，嵌入銅芯外，其餘方法步驟與現有技術熱軋復 合基本相同。當然本領域普通技術人員能夠理解到，除熱軋複合方法外，還可以採用其他方式， 例如爆炸複合。本發明銅鉬銅熱沉材料，相對於現有技術，由於在中間鉬層材料上，開有眾多穿通 通孔，以鉚嵌結構嵌有高導熱、端面與鉬層材料兩面齊平的銅芯柱，銅芯柱與上下面銅層接 觸，不僅降低了材料的熱阻，顯著提高了其縱向熱傳導性能，以CMC厚度比1 1 1為例， 縱向熱導率由原來的150W/M.K左右，提高到220W/M.K左右(三者厚度比不同，改善熱傳導 也不同)，提高了 46. 7%，因而可以增加40%功率密度，或者縮小體積40% ；而且復層界面 間由於有多點同種銅壓接，也顯著增加了複合界面的結合強度，並且由於熱傳導性能的改 善，顯著降低了銅鉬界面間拉應力，經熱循環試驗，抗層間分離能力顯著提高，抗剝離力提 高30%，從而有效延長了 CMC材料的使用壽命。本發明製備方法，先在鉬層材料板面加工慣 通孔，插入銅芯柱或用熔融銅液填充，加工兩面使銅芯與板面齊平，複合銅板，熱軋或爆炸 複合，退火處理，冷軋成最終產品，嵌入銅芯形成類似鉚釘嵌入形式，與通孔及上下面形成 緊配合，芯柱周面及兩端面分別與鉬層材料及銅復板形成緊密接觸，不僅嵌入銅芯柱形成 良好的熱傳導，而且有利於提高複合界面結合力，同時此法也簡化了製備。本發明銅鉬銅熱 沉材料，具有熱耗散能力強，製作簡便、適於工業化生產，且增加成本不多。以下結合三個優化具體實施例，示例性說明及幫助進一步理解本發明，但實施例 具體細節僅是為了說明本發明，並不代表本發明構思下全部技術方案，因此不應理解為對 本發明總的技術方案限定，一些在技術人員看來，不偏離本發明構思的非實質性增加和/ 或改動，例如以具有相同或相似技術效果的技術特徵簡單改變或替換，均屬本發明保護範 圍。


圖1為現有技術CMC材料截面結構示意圖。圖2為本發明CMC材料截面結構示意圖。圖3為本發明實施例冷嵌銅芯製備工藝流程圖。
具體實施例方式實施例1 參見圖2、3，以生產銅鉬銅比例為1 4 1，厚度為45謹X45謹XI. 2謹 的銅鉬銅熱沉材料為例，先在厚度為0. 8mm的鉬板2厚度方向上打通孔，穿入厚度為Imm與 孔同形的無氧銅芯4，進行一次冷軋，使銅芯變形脹孔(防止銅芯脫落)；經噴砂預處理，清 除鉬板表面汙物，並使兩面毛糙化；在鉬板2兩面複合50mmX 50mmX0. 3mm的無氧銅片1和 3，在氣體保護狀態下進行熱軋複合；在真空或氣體保護狀態下，將熱軋複合後的銅鉬銅板， 在500-900°C溫度下退火處理1-2小時；將經過退火的複合板在四輥軋機上經過2-10道次 冷軋，以獲得最終成品要求的尺寸規格厚度1. 2mm，進行剪邊、矯直、檢驗等後續處理。成品 基板的銅/鉬/銅厚度配比為1 4 1，測定線膨脹係數(CTE)為6.4ppm/°C，平面方向 熱導率M0W/M · K，Z軸(厚度)方向熱導率200W/M · K，氣密性與比較例基本相同。比較例常規製備的銅/鉬/銅材料，厚度配比1 4 1，線膨脹係數(CTE)為 6. 2ppm/°C，平面方向熱導率在200W/M · K，Z軸方向熱導率170W/M · K。實施例2 嵌入銅芯，還可以是無氧銅片經CNC加工出與鉬板穿透孔同位(同排 列)、同數量，釘板狀整體銅芯，其中釘狀銅芯高度為1.3mm。將打孔的鎢銅板插入銅芯釘 板，送入高溫爐中，在1400°C溫度下進行熔滲，使得銅芯2與鎢銅板1上穿透孔緊密結合，最 後通過磨加工將包覆銅去除，然後再按通常工藝複合銅層。實施例3 鉬板銅芯填充，還可以是將開孔鉬板，放入熔融銅溶液或用熔融銅溶液 澆注填孔，冷卻後磨加工兩面，然後再按通常工藝複合銅層。對於本領域技術人員來說，在本專利構思及具體實施例啟示下，能夠從本專利公 開內容及常識直接導出或聯想到的一些變形，本領域普通技術人員將意識到也可採用其他 方法，或現有技術中常用公知技術的替代，以及特徵間的相互不同組合，例如銅芯直徑的改 變，排列及分布的改變，先噴砂後打孔，等等的非實質性改動，同樣可以被應用，都能實現與 上述實施例基本相同功能和效果，不再一一舉例展開細說，均屬於本專利保護範圍。
權利要求
1.銅鉬銅熱沉材料，包括銅鉬銅三層複合，其特徵在於中間鉬層板上有眾多穿通 厚度的通孔，各通孔中鑲嵌有與鉬層板面齊平的銅芯，使所述熱沉材料線膨脹係數為 6-8ppm/°C，熱導率至少增加10%及以上。
2.根據權利要求1所述銅鉬銅熱沉材料，其特徵在於打孔嵌銅芯為整個板面區。
3.根據權利要求2所述銅鉬銅熱沉材料，其特徵在於熱導率增加20%或以上。
4.根據權利要求1、2或3所述銅鉬銅熱沉材料，其特徵在於鉬層板打孔為圓形孔。
5.銅鉬銅熱沉材料製備，包括銅板與鉬層材料熱軋複合，其特徵在於先在鉬層材料板 面加工慣通孔，插入銅芯柱或用熔融銅液填充，加工兩面使銅芯與板面齊平，複合銅板，熱 軋或爆炸複合，退火處理，冷軋成最終產品。
6.根據權利要求5所述銅鉬銅熱沉材料製備，其特徵在於插入銅芯柱為將銅板加工成 與開孔鉬層材料板孔對應的釘板整體插入。
7.根據權利要求5所述銅鉬銅熱沉材料製備，其特徵在於鉬層材料板嵌銅芯為熔融銅 液填充。
全文摘要
本發明是對銅鉬銅金屬複合熱沉材料導熱性能的改進，其特徵是中間鉬層板上有眾多穿通厚度的通孔，各通孔中鑲嵌有與鉬層板面齊平的銅芯，使所述熱沉材料線膨脹係數為6-8ppm/℃，熱導率至少增加10％及以上。不僅顯著提高了其縱向熱傳導性能，以CMC厚度比1∶1∶1為例，縱向熱導率由原來的150W/M.K左右，提高到220W/M.K左右，提高了46.7％；而且復層界面間由於有多點同種銅壓接，也顯著增加了複合界面的結合強度，並且由於熱傳導性能的改善，顯著降低了銅鉬界面間拉應力，經熱循環試驗，抗剝離力提高30％，從而有效延長了CMC材料的使用壽命。
文檔編號H01L23/367GK102054804SQ20091021337
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月4日 優先權日2009年11月4日
發明者況秀猛, 張遠, 朱德軍, 魏濱 申請人:江蘇鼎啟科技有限公司