复合材料及其应用制造技术

本发明专利技术的目的是提供一种具有低的热膨胀率，高的导热率和良好的塑性加工性的复合材料，所述复合材料可应用于半导体器件以及许多其它应用场合。所述复合材料由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成。其特征在于所述无机粒子分散的方式使９５％或者更多的粒子（以横截面上的粒子面积表示）形成具有复杂构形的连接一起的聚集体。所述复合材料含有２０－８０体积％的铜的氧化物，余下部分是铜。其在室温至３００℃的范围内，热膨胀系数为５×１０↑［－６］－１４×１０↑［－６］／℃，导热率为３０－３２５Ｗ／ｍ.ｋ。所述复合材料适于制作半导体器件的散热片和静电吸引器的介电片。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有低的热膨胀率和高的导热率的复合材料和所述复合材料的生产方法，而且还涉及所述复合材料例如在半导体器件中的应用。
技术介绍
电力电子学包括涉及对电功率和电能进行转换和控制的功率电子器件，以通断模式工作的功率电子器件的技术，还包括涉及能量转换系统的应用技术。电功率的转换需要各种具有开关特性的功率半导体。实际使用的这些半导体包括整流二极管(具有一个只在一个方向有电流流动的pn结)，晶闸管，双极晶体管，以及MOSFET(具有多个pn结的组合)。近来开发的半导体包括绝缘栅双极晶体管(IGBF)和响应门信号进行开关的栅控截止晶闸管(GTO)。这些功率半导体在通电时会发热。随着电量和速度的增加，所述半导体的发热量会更大。为了防止所述半导体由于发热出现劣化和寿命缩短，所述半导体中应安装有防止其自身及相邻部位温度升高的散热体。通常用作散热体的材料是铜，其便宜并且导热率高(393W/m)。不幸的是，铜不适合用于功率半导体器件的散热体，因为铜的热膨胀率高达17×10-6/℃，因而，不能与热膨胀率为4.2×10-6/℃的硅很好地焊在一起。解决该问题的一个方法是采用热膨胀率与硅相近的钼或钨制造散热体，或者在散热体和半导体元件间插入钼或钨。功率半导体元件与电子半导体元件不同。后者以由在单个半导体芯片上集成形成的电子电路组成的集成电路(IC)为例证。根据其功能，电子半导体元件被分为存储元件，逻辑元件，微处理器等。涉及最近的电子半导体元件的问题是发热，当集成程度和运行速度增加时，发热量增大。更糟的是，为了防止发生失效和劣化，电子半导体元件被一个一个地单独气密封装，以便与大气隔离。广泛采用的封装是陶瓷封装(其中，每个半导体元件均通过芯片焊接固定到陶瓷上)和塑料封装(采用塑料密封)。一个满足高可靠性和高速运行要求的新进展是在单个衬底上安装有多个半导体元件的多片模块(MCM)。构造塑料封装件时，应使其中的半导体元件的端子通过焊接引线与引线框相连接，并且，整个组件采用塑料密封。为解决不断增加的发热问题所取得的最新进展是其中的引线框起散热作用的封装件或者其中安装有用于散热的散热体的封装件。引线框或者用于散热的散热体通常采用高导热率的铜制造。不幸的是，可以预料会发生故障，原因是铜与硅的热膨胀率差别较大。相反，构造陶瓷封装件时，半导体元件置于具有印制在其上的布线的陶瓷衬底上，并且，整个组件采用金属或者陶瓷罩密封。陶瓷衬底采用起散热体作用的Cu-Mo或Cu-W复合材料或者可伐合金作里衬。要求能够以低生产成本制造具有低的热膨胀率，高的热传导性和良好的可加工性的陶瓷材料。MCM包括具有在其上形成薄膜布线的金属或者陶瓷衬底，多个在其上固定的半导体元件(以裸片形式)，容纳上述元件的陶瓷封装和密封罩。如果需要散热，所述封装件可装有散热体或散热翅片。金属衬底采用铜或铝制造。这两种金属的优点是导热率好，但缺点是热膨胀率高，这会导致与半导体元件的匹配性变差。因此，具有高可靠性的MCM的衬底采用硅或氮化铝(AlN)制造。与陶瓷封装件焊接在一起的散热体应采用导热率高而热膨胀率低的材料制造，以便与封装材料实现良好的匹配。如上所述，所有的半导体器件在运行期间均会发热，而且，如果热量被累积起来，还会出现故障。因此，需要具有良好导热率以便进行散热的散热体。与半导体元件直接或者通过绝缘层间接焊接一起的散热体不仅应具有高的导热率，而且还应具有低的热膨胀率，以便与半导体元件实现良好匹配。主要的半导体元件以Si或者GaAS为基础，这两种物质的热膨胀系数为分别为2.6×10-6-3.6×10-6/℃和5.7×10-6-6.9×10-6/℃。在热膨胀率上与这两种物质相当的已知材料中包括AlN，SiC，Mo，W和Cu-W。当单独用于散热体时，上述各种物质的传热系数和导热率不能根据要求进行控制。这些物质的可加工性差而且生产成本高。日本专利公开平8-78578提出了一种Cu-Mo烧结合金。日本专利公开平9-181220提出了一种Cu-W-Ni烧结合金。日本专利公开平9-209058提出了一种Cu-SiC烧结合金。日本专利公开平9-15773提出了一种Al-SiC复合材料。这些传统的复合材料中如果各构成物比例发生变化，则其传热系数和导热率可在很大范围内进行调整。然而，上述材料的塑性加工性差，因而难以加工成薄板，而且需要很多的加工步骤。本专利技术的一个目的是提供具有低的热膨胀率、高的导热率和良好的塑性加工性的复合材料，提供采用所述复合材制造的半导体器件，提供用于所述半导体器件的散热体，提供一种静电吸引器，以及提供一种用于所述静电吸引器的介电片。专利技术公开本专利技术的第一个方面在于一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于分散所述无机粒子时，应使95％或者更多的粒子(用横截面上的粒子面积的大小表示)形成连接一起的具有复杂构形的聚集体。本专利技术的第二个方面在于一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于在100μm2的横截面上单独存在的所述无机粒子的个数小于或等于100，余下的粒子以连接一起的具有复杂构形的聚集体形式分布。本专利技术的第三个方面在于一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于所述无机粒子的维氏硬度小于或等于300。本专利技术的第四个方面在于一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，所述复合材料的热膨胀系数在20-105℃的范围内，其增加量，平均为从20℃的值起每W/m·k增加0.025-0.035ppm/℃。本专利技术的第五个方面在于一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于所述无机粒子以连接一起的聚集体的形式分散分布，所述聚集体沿塑性加工方向呈拉长状。本专利技术的第六个方面在于一种由铜和铜的氧化物粒子构成的复合材料，其特征在于分散所述铜的氧化物粒子时，应使95％或者更多的粒子(以横截面积中粒子的面积数表示)形成连接一起的具有复杂构形的聚集体。本专利技术的第七个方面在于一种采用所述复合材料制造的用于半导体器件的散热片。本专利技术的第八个方面在于一种用于半导体器件的其上具有镍镀层的散热片。本专利技术的第九个方面在于一种包括多个绝缘衬底和固定在每个所述绝缘衬底上的多个半导体元件的半导体器件，每个所述绝缘衬底通过形成于所述绝缘衬底的上下表面的导电层直接连接于所述散热片。本专利技术的第十个方面在于一种包括具有散热片的绝缘衬底和固定在所述绝缘衬底上的半导体元件的半导体器件，其中，所述散热片是在本专利技术的第七或者第八方面中定义的散热片。本专利技术的第十一个方面在于一种半导体器件，所述半导体器件包括固定在散热片上的半导体元件，与所述散热片相连接的引线框，以及以导电方式将所述引线框与所述半导体元件连接起来的金属布线；所述半导体元件采用塑料密封，其中，所述散热片是在本专利技术的第七或者第八个方面中定义的散热片。本专利技术的第十二个方面在于一种半导体器件，所述半导体器件包括固定在散热片上的半导体元件，与所述散热片相连接的引线框，以及以导电方式将所述引线框与所述半导体元件连结起来的金属布线；所述半导体元件采用塑料密封，所述散热片在与所述半导体元件相连的一侧相对的另一侧是敞开的，其中，所述散热片是在本专利技术的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于所述无机粒子分散的方式应使９５％或者更多的该粒子（用横截面上的粒子面积的大小表示）形成连接一起的具有复杂构形的聚集体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于所述无机粒子分散的方式应使95％或者更多的该粒子(用横截面上的粒子面积的大小表示)形成连接一起的具有复杂构形的聚集体。2.一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于在100μm2的横截面上单独存在的所述无机粒子的个数小于或等于100，余下的粒子以连接一起的具有复杂构形的聚集体形式分散。3.一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于所述无机粒子的维氏硬度为300或更小。4.一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，所述复合材料的热膨胀系数在20-105℃的范围内的平均增加量为从20℃的值起每W/m·k增加0.025-0.035ppm/℃。5.一种由金属和热膨胀系数比所述金属小的无机粒子构成的复合材料，其特征在于所述无机粒子以连接一起的聚集体形式分散分布，所述聚集体沿塑性加工方向伸展。6.一种由铜和铜氧化物的粒子构成的复合材料，其特征在于所述铜的氧化物粒子分散的方式应使95％或更多的该粒子(以横截面中粒子的面积数表示)形成连接一起的具有复杂构形的聚集体。7.由权利要求1-6中之任一项的复合材料制造的半导体器件的散热片。8.如在权利要求7中所述的半导体器件的散热片，包括其上存在的一个镍镀层。9.一种半导体器件，其包括多个绝缘衬底和安装在每个所述绝缘衬底上的多个半导体元件，每个所述绝缘衬底通过形成于所述绝缘衬底的上下表面的导电层使所述绝缘衬底直接连接于所述散热片。10.一种半导体器件，其包括具有散热片的绝缘衬底和安装在所述绝缘衬底上的半导体元件，其中，所述散热片是在权利要求7或8中所述的散热片。11.一种半导体器件，其包括固定在散热片上的半导体元件，与所述散热片相连接的引线框，以及将所述引线框与所述半导体元件电连接起来的金属布线，所述半导体元件采用塑料密封，其中，所述散热片是在权利要求7或8中所述的散热片。12.一种半导体器件，其包括固定在散热片上的半导体元件，与所述散热片相连接的引线框，以及将所述引线框与所述半导体元件电连接起来的金属布线，所述半导体元件采用塑料...

【专利技术属性】
技术研发人员：近藤保夫，金田润也，青野泰久，阿部辉宜，稻垣正寿，斋藤隆一，小池义彦，荒川英夫，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]