由含硼的金刚石-铜复合材料制成的散热器制造技术

本发明专利技术涉及由含金刚石的复合材料制成的散热器。除了按体积计含４０－９０％的金刚石细粒外，所述复合材料还含有按体积计７到５９％的铜或富铜相，富铜相中铜＞８０原子％，以及按体积计０．０１到２０％的硼或富硼相，富硼相中硼＞５０原子％。通过添加硼，可以相当大地改善铜与金刚砂的粘合，因此可以获得高热导率。优选的生产方法包含不加压和压力协助下渗入技术。所述元件特别适合用作半导体元件的散热器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及由复合材料制成的用作散热器的元件，该复合材料包含按体积计40到90％的金刚砂和按体积计7到59％的铜或富铜固体溶液，富铜固体溶液中铜＞80原子％，以及用于制备所述元件的方法。
技术介绍
散热器广泛应用于电子元件的制造中。除了散热器，电子元件包膜的主要组成是半导体元件和机械稳定的包膜。术语衬底、散热片或载板通常也用于散热器。半导体元件例如由单晶硅或砷化镓组成。其通常通过焊接与散热器相连。当操作半导体元件时，散热器用于分散生成的热。产生特别高水平热量的半导体元件包括例如，LDMOS(横向扩散的金属氧化物半导体)、激光二极管、CPU(中央处理器)、MPU(微处理机)或HFAD(高频放大装置)。根据特殊的应用，散热器有着众多不同的几何设计。简单型包括平板。然而，也使用具有凹槽和台阶的复杂衬底。散热器本身随后连接到机械稳定的包膜上。半导体材料所使用的热膨胀系数与其他材料相比是较低的，这些系数在文献中给出，如硅是2.1×10-6K-1到4.1×10-6K-1，砷化镓是5.6×10-6K-1到5.8×10-6K-1。还没有广泛应用在大工业规模上的其他半导体材料，例如锗、磷化铟或金刚砂，也具有类似的低膨胀系数。陶瓷材料、复合材料或塑料通常用于包膜。陶瓷材料的例子包括Al2O3，其膨胀系数为6.5×10-6K-1，或氮化铝，其膨胀系数为4.5×10-6K-1。如果涉及元件的膨胀特性不同，在装配中就产生不同的应力，这将导致元件变得变形、脱体或破碎。应力甚至可以在生产包膜的过程中形成，具体地说，在从焊接温度冷却到室温的阶段中形成。然而，当包膜操作时也发生温度变化，例如从-50℃到200℃，这可导致包膜内的热机械应力。这种情况导致对应用于散热器上的材料的需求。第一，它的导热性应该尽可能高，以使操作过程中半导体元件的温度升高最小化。第二，必须使其热膨胀系数尽可能与半导体元件以及包膜的热膨胀系数匹配。由于具有高热导率的材料同时具有高热膨胀系数，因此单相金属材料不足以满足所需的性能特征。因此，为满足所需特征，用组合材料或复合材料来生产衬底。标准钨-铜和钼-铜组合材料或复合材料，如EP 0100232、US 4950554和US 5493153中所描述的，在室温下的导热性为170到250W/(m.K)，热膨胀系数为6.5×10-6到9.0×10-6K-1，它们已不再适用于多数应用。由于对散热器热传导率的更大的需求，金刚石或含金刚石的组合材料或复合材料已经成为引起越来越多关注的主题。例如，金刚石的热传导率是1400到2400W/(m.K)，其中特别是晶格位置上氮和硼原子含量，对确定质量是至关紧要的。EP 0521405描述了一种散热器，其在面对半导体芯片的一侧具有多晶金刚石层。金刚石层通过CVD生成，其导热性为1000到1500W/(m.K)。然而，由于金刚石层缺乏塑性变形性，甚至在从涂布温度冷却的过程中，金刚石层中可能存在裂纹。US 5273790描述了一种金刚石复合材料，其导热性为1700W/(m.K)，其中通过金刚石的继发气相淀积，形状松散的金刚石颗粒转变为形状稳定的本体。以这种方法产生的金刚石复合材料对大量生产的商业用途来说太昂贵了。WO 99/12866描述了一种生产金刚石/碳化硅复合材料的方法。其通过将硅或硅合金渗入金刚石骨架而产生。由于硅的高熔点和由此产生的高渗透温度，金刚石部分转变为碳和/或再转变为金刚砂。由于高脆性，加工这种材料是非常困难和昂贵的。US 4902652描述了一种生产烧结的金刚石材料的方法。一种选自4a、5a和6a族的过渡金属、硼和硅的元素通过物理的涂层方法沉积在金刚石粉上。然后，被涂层的金刚石颗粒通过在高压下的固相烧结方法彼此粘合。该方法的一个缺点是，所形成的产品具有高孔隙度。此外，生产工艺极其复杂。US 5045972描述了一种复合材料，其中除了尺寸从1到50μm的金刚砂外，还有由铝、镁、铜、银或其合金组成的金属基质。该材料的一个缺点是，该金属基质不适于粘合到金刚砂上，从而导致不充足的导热性和机械牢固性。使用更微细的例如粒径＜3μm的金刚石粉，如US 5008737中所公开的，也未能改善金刚石/金属的粘合，且由于较大的金刚石/金属的界面面积，导致热传导率的明显劣化。US 5783316描述了一种方法，其中金刚砂镀上钨、锆、铼、铬或钛，然后压缩镀层颗粒，并将铜、银或铜-银熔融体渗入多孔体，高的镀层成本限制了以这种方法产生的复合材料的应用领域。EP 0859408描述了一种用于散热器的材料，其基质由金刚砂和金属碳化物形成，基质空隙由金属填充。金属碳化物指的是元素周期表中4a族到6a族的金属的碳化物。在这方面，EP 0859408特别强调了碳化钛、碳化锆和碳化铪。银、铜、金和铝作为特别有利的填充金属。4a到6a族的过渡金属元素都是强烈的碳化物形成元素。因此，所形成的碳化物层相对较厚。这些结合低导热性(10-65W/mK)的碳化物降低了热传导率，从而相当大地提高了金刚石相的效果。如果将含有强烈的碳化物形成元素的合金渗入金刚石骨架，过量的碳化物在接近于表面的区域中形成，导致渗入物中碳化物形成元素消耗，且随之导致金属与内部金刚石的粘合不充分。这首先导致非均匀材料，其次还导致由开口空隙率下降所引起的渗入过程的劣化。尽管上述消耗可以通过增加碳化物形成元素的浓度来削弱，从而改善内部的粘合，其需要承担碳化物形成元素出于动态原因仍残存于固体溶液中的风险，这对金属相的热传导率具有严重的有害影响。EP 0898310描述了一种散热器，其由金刚砂、金属或金属合金、以及金属碳化物组成，所述的金属或金属合金具有高热导率，选自铜、银、金、铝、镁和锌；所述的金属碳化物中的金属为4a，5a族金属和铬，且金属碳化物覆盖至少25％的金刚砂表面。在这种情况下，元素周期表中4a、5a族和铬碳化物的差的导热性，这些元素对碳的高无穷性以及有时在铜、银、金、铝和镁中显著的溶解性，具有不利影响。
技术实现思路
最近几年中，半导体元件的加工速度和集成程度相当大地增加，其也导致包膜过程中产生的热量水平的增加。因此，最优化的热量处理意味着始终重要的准则。上述材料的热传导率对许多应用来讲不再足够，或者换而言之，对广泛应用而言，生产这些材料太昂贵。因此，改良的、廉价的散热器的可利用性是进一步最佳化半导体装置的前提。因此，本专利技术的目的是为一种用作散热器的元件提供一种具有高热导率和低膨胀系数的复合材料，其结合了允许低成本生产的工艺性能。该目的通过权利要求1所要求的元件来实现。本专利技术元件在金刚砂和富铜相之间提供优异的粘合强度。取决于硼含量和生产参数，原子层中硼富集排列直到金刚砂和富铜相之间的分界面上硼-碳化合物形成，可以通过高分辨测量方法记录。硼-碳化合物的厚度优选为1nm(相当于按体积计硼-碳化合物含量约为0.001％)到10μm，优选等于0.05μm。甚至不完全的金刚砂涂层足以获得足够的粘合。硼-碳化合物中还可以包含其他元素的原子。硼-碳化合物具有足够的高热导率(例如B4C约为40W/(mK))。因为硼是相对弱的碳化物形成剂，渗入过程的铜熔融中碳化物形成元素消耗得不是非常迅速，因此可以获得高度均质的材料。此外，所形成的碳化物层相对而言非常薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
由复合材料制成的用作散热器的元件，所述复合材料包含按体积计４０到９０％的金刚砂和按体积计７到５９％的铜或富铜固体溶液，富铜固体溶液中铜＞８０原子％；其特征在于，所述复合材料包含按体积计０．０１到２０％的硼或富硼相，富硼相中硼＞５０原子％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢德格尔韦伯，
申请(专利权)人：普兰西欧洲股份公司，洛桑理工学院，
类型：发明
国别省市：AT[奥地利]