一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板及其制备方法。所述基板主体包括金刚石铜复合材料部分和钨铜、钼铜合金或无氧铜部分。所述合金部分镶嵌在复合材料上或所述复合材料镶嵌在合金上，两部分为冶金结合或焊接结合，采用真空压力浸渗工艺，可以直接近终成型。该基底具有高于钨铜等合金材料的热导率；热膨胀系数与半导体材料相匹配；易于机械加工，比纯金刚石铜材料具有更好的可加工性；相对质量小和价格适中，便于推广使用，可以满足高功率电子器件的散热需求，解决了制约电子器件向高功率和小型化发展的散热问题。

High power density substrate inlaid with diamond copper and preparation method thereof

The invention provides a high power density substrate inlaid with diamond copper and a preparation method thereof. The substrate body comprises a diamond copper composite part and tungsten copper, molybdenum copper alloy or oxygen free copper part. The alloy part is inlaid on the composite material or the composite material is inlaid on the alloy, and the two part is combined with metallurgy or welding, and the vacuum pressure impregnation process is adopted to directly form the alloy at the end of the alloy. The substrate is higher than that of tungsten copper alloy materials such as thermal conductivity rate; matching coefficient and thermal expansion of semiconductor materials; easy machining, than pure diamond copper material has better workability; the relative quality of small and moderate price, convenient popularization, and can meet the cooling demand of high power electronic devices, solves the problem of radiation restriction of electronic devices to the higher power and miniaturization.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子封装
，特别涉及一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板及其制备方法。
技术介绍
随着微电子技术的高速发展，以GaN芯片为代表的第三代宽禁带半导体芯片开始大量应用，电子器件热量的控制成为其正常工作的关键，这对电子封装材料提出了更高的要求。理想的电子封装材料应具有高的热导率，与GaN等芯片相匹配的热膨胀系数，以及一定的强度和刚度。目前市场上使用较多的电子封装材料为钨铜、钼铜合金，其热导率最高为280W/mK，已不能满足高功率芯片的散热需求，另外钨铜合金的密度大，不适合对质量敏感的器件。近几年开始应用的金刚石铜复合材料热导率>600W/mK，密度小，但价格昂贵，限制了其大规模应用。本专利技术充分考虑上述两种材料的优缺点，提出了一种镶嵌金刚石铜复合材料的结构及其制备方法。现有的制备钨铜、钼铜合金和金刚石铜复合材料较成熟的工艺为真空压力熔渗，熔渗法易产生微孔等缺陷，影响材料的稳定性和热导率，因此工艺过程的控制尤其重要。金刚石铜复合材料难于机加工，采用真空压力浸渗工艺，可以直接近终成型，大大降低机加工量，提高综合效率。专利CN205303452U公布了一种具有三明治结构的双面镀无氧铜的金刚石铜热沉材料，用于固态微波大功率器件可实现优良的散热和高可靠性，但由于金刚石铜复合材料的难加工性，不易于成型结构复杂的器件，且金刚石铜与无氧铜之间为焊接结合，结合性能不如冶金结合效果好。专利CN101935837A公布了一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层及其制备方法。该热沉材料由铜基体上沉积粗金刚石层和细金刚石层，接着在沉积有铜-金刚石镀层的工件表面露头的金刚石上同质外延生长出连续的金刚石涂层。该方法工艺复杂，制备的热沉价格昂贵，不便于推广使用。专利CN101450381A公布了一种制备钨铜热沉和电子封装材料的工艺。该工艺的加工步骤包括：粉末准备、添加诱导剂及混料、模压自动成型、预烧结、铜液浸渗等，具有成本低、生产效率高等特点。本文所申请的一种镶嵌金刚石的高功率密度基板及其制备方法在工艺步骤上与其有一定的相似性，但在工艺具体实施的过程有很大的不同，且所制备的热沉基板在热导率比钨铜合金有较大的优势。为解决上述专利技术存在的问题，本专利技术有以下优势和创新点：金刚石铜具有高的热导率(>600W/mK)，远高于钨铜合金的280W/mK。具有良好的可加工性，所需机械加工部分为钨铜、钼铜或无氧铜材料，避免对金刚石铜材料的直接机加工。价格适中，便于推广使用。
技术实现思路
本专利技术针对目前电子封装材料存在的热导率较低、相对密度大和价格昂贵等问题，提出了一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板及其制备方法。一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板，该基板包括金刚石铜复合材料部分和钨铜、钼铜合金或无氧铜部分，两部分之间为冶金结合或焊接结合。进一步，所述基板中间部分为金刚石铜复合材料，周围为钨铜、钼铜合金或无氧铜；或是中间部分为钨铜、钼铜合金或无氧铜，周围为金刚石铜复合材料，不同材料之间的结合方式为冶金结合。一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板，其特征在于:该基板包括钨、钼或无氧铜预制体中嵌入金刚石得到复合预制体，通过真空压力浸渗法制备钨铜、钼铜或无氧铜和金刚石复合预制体中嵌入金刚石铜的高功率密度基板，不同种材料之间为冶金结合。进一步，所述的复合预制体为钨、钼烧结体或无氧铜中预埋金刚石再次烧结所得。一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:步骤一：将钨粉或钼粉和金刚石粉填充在设计的模具中烧结成镶嵌金刚石的多孔复合预制体；步骤二：电解铜或无氧铜基体；步骤三：在真空压力浸渗炉中将电解铜或无氧铜浸渗入镶嵌金刚石的钨或钼预制体中，获得一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板。一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板的制备方法，其特征在于，将钨铜、钼铜、无氧铜或硅铝合金板在镶嵌金刚石/铜的部位加工盲孔或台阶孔，将金刚石/铜材料加工成对应形状，通过金锗、金锡焊料钎焊制备一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板。进一步，所述的钨铜、钼铜、无氧铜、硅铝合金、金刚石/铜均为经过金属化的，所述金属化为电镀镍金。本专利技术具有以下优点：相对于钨铜、钼铜合金来说，镶嵌金刚石铜的基板密度小，热导率高一倍以上；相对于金刚石铜材料来说，需要精细机加工部分为钨铜、钼铜合金或无氧铜部分，易于加工，同时价格较低便于广泛使用；采用压力浸渗工艺，可以直接近终成型，减少后续加工量，节省原料。附图说明图1是本专利技术方法熔渗所用近终形模具的示意图。图2是本专利技术镶嵌金刚石铜的高功率密度基板的结构示意图。图3是本专利技术镶嵌金刚石铜的高功率密度基板另一结构的示意图。图中所示为：1-合金材料或无氧铜放置槽；2-金刚石预制体放置槽；3-排气孔；4-合金材料或无氧铜；5-金刚石铜复合材料；6-引线孔；7-焊接层；8-固定孔。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作详细描述，需要指出的是以下实施例不构成对本专利技术保护范围的限定。实施例1结合图1和图2说明本实施例，在近终成形的模具位置2放置金刚石多孔预制体，采用真空压力浸渗技术制备无氧铜中镶嵌5×20mm的矩形金刚石/铜的高功率密度基板，施加热载荷功率为400W/cm2，通过热成像仪测试芯片结温56℃，相比无氧铜基板的结温降低8-10℃。实施例2结合图1和图2说明本实施例，在近终成形的模具位置2放置金刚石多孔预制体，采用真空压力浸渗技术制备无氧铜中镶嵌8×30mm的矩形金刚石/铜的高功率密度基板，施加热载荷功率为600W/cm2，通过热成像仪测试芯片结温63℃，相比无氧铜金属基板的结温降低20-25℃。实施例3结合图1和图2说明本实施例，首先在近终成形的模具位置1添置钼粉然后烧结成多孔钼，在近终形模具的位置2填充金刚石粉末，再次烧结获得镶嵌金刚石的复合多孔预制体，采用真空压力浸渗技术制备钼铜中镶嵌8×30mm的矩形金刚石/铜的高功率密度基板，施加热载荷功率为400W/cm2，通过热成像仪测试芯片结温64℃，相比钼铜金属基板的结温降低18-20℃。实施例4结合图1和图2说明本实施例，首先在近终成形的模具位置1添置钨粉然后烧结成多孔钼，在近终形模具的位置2填充金刚石粉末，再次烧结获得镶嵌金刚石的复合多孔预制体，采用真空压力浸渗技术制备钨铜中镶嵌8×30mm的矩形金刚石/铜的高功率密度技术基板，施加热载荷功率为400W/cm2，通过热成像仪测试芯片结温61℃，相比钨铜金属基板的结温降低15-18℃。实施例5结合图3说明本实施例，无氧铜金属板中通过机加工方法加工直径16mm底厚0.2-2mm的盲孔，切割15.8mm的金刚石/铜圆片，采用金锗焊料将金刚石/铜圆片与无氧铜金属板钎焊起来获得镶嵌金刚石/铜的高功率密度基板，施加热载荷功率为400W/cm2，通过热成像仪测试芯片结温56℃，相比无氧铜金属基板的结温降低6-8℃。实施例6结合图3说明本实施例，钼铜金属板中通过机加工方法加工直径16mm的通孔，切割15.8mm的金刚石/铜圆片，采用金锗焊料将金刚石/铜圆片与钼铜金属板钎焊起来获得镶嵌金刚石/铜的高功率密度基板，施加热载荷功率为400W/cm2，通过热成像仪测试芯片结温58℃，相比钼铜金属基板的结温降低6-8℃。实施例7结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板，其特征在于，该基板包括金刚石铜复合材料部分和钨铜、钼铜合金或无氧铜部分，两部分之间为冶金结合或焊接结合。

【技术特征摘要】
1.一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板，其特征在于，该基板包括金刚石铜复合材料部分和钨铜、钼铜合金或无氧铜部分，两部分之间为冶金结合或焊接结合。2.根据权利要求1所述镶嵌金刚石铜的高功率密度基板，其特征在于，所述基板中间部分为金刚石铜复合材料，周围为钨铜、钼铜合金或无氧铜；或是中间部分为钨铜、钼铜合金或无氧铜，周围为金刚石铜复合材料，不同材料之间的结合方式为冶金结合。3.一种镶嵌金刚石铜的高功率密度基板，其特征在于，该基板包括钨、钼或无氧铜预制体中嵌入金刚石得到复合预制体，通过真空压力浸渗法制备钨铜、钼铜或无氧铜和金刚石复合预制体中嵌入金刚石铜的高功率密度基板，不同种材料之间为冶金结合。4.根据权利要求3所述镶嵌金刚石铜的高功率密度基板，其特征在于，所述的复合预制体为钨、钼...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宏，张习敏，王亚宝，刘铭坤，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11