一种热沉材料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种热沉材料，该热沉材料由高热导组分和低膨胀组分组成；所述的高热导组分的质量百分含量沿着锥形中心轴线方向上呈现梯度变化。所述的高热导组分为热导率500?150W/m.k的材料，包括纯铜、铜合金、纯银、银合金、纯铝、铝合金等。所述的低膨胀组分为热膨胀系数2.9?8.1ppm/k的材料，包括纯钨、钨合金、纯钼、钼合金等。所述的锥形为一头大另一头小的形状，包括圆锥、圆台、梯形台、菱锥、菱台、楔形等。本发明热沉材料，性能好，成本低，导热性能可提高30?50％，热膨胀系数能更好与芯片匹配，能够满足目前大功率电子器件对热沉材料的要求。
【专利说明】
一种热沉材料
技术领域
[0001 ]本发明涉及材料技术领域，更具体涉及一种热沉材料。【背景技术】
[0002]热沉材料是微电子领域的关键材料之一，随着微电子器件功率不断的增大，对热沉材料的要求也越来越高。既要求有良好的导热性能，同时又要有与芯片匹配较低的热膨胀系数。
[0003]铜、银和铝等材料具有高的导热性能且易于加工，但是热膨胀系都比较数大，不适合单独作为热沉材料。钨具有较低的热膨胀系数，但是导热性能不是很好，也不适合单独作为热沉材料。将铜和钨、钼结合，取铜的高导热性能，钨、钼的低膨胀性能制备成钨铜合金、 钼铜合金可得到既有较高导热性能，又有低膨胀系数的微电子热沉材料。传统的钨铜和钼铜合金成分都是均匀的，没有梯度变化。而在实际使用过程中，只要求热沉材料在焊接电子芯片的面上热膨胀系数较低与芯片匹配就可以了，其他面导热性能越高越好。传统的钨铜、 钼铜合金由于成分是均匀的，无法实现这种性能的变化，因此没有将钨铜、钼铜合金的性能发挥到最大。难以满足现代高性能电子元器件对热沉材料的要求。
【发明内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题就是如何使热沉材料焊接面高热导组分含量稍低，而在远离焊接面上，高热导组分含量逐渐增加，从而提供一种新颖的热沉材料。
[0006](二)技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热沉材料，该热沉材料由高热导组分和低膨胀组分组成;所述的高热导组分在低膨胀组分骨架内呈锥形分布，高热导组分的质量百分含量沿着锥形中心轴线方向上呈现梯度变化。
[0008]优选地，所述的高热导组分为热导率500-150W/m.k的材料。
[0009]优选地，所述的高热导组分为纯铜、铜合金、纯银、银合金、纯铝、铝合金；优选纯铜。
[0010]优选地，所述的低膨胀组分为热膨胀系数2.9-8.lppm/k的材料。[〇〇11]优选地，所述的低膨胀组分为纯钨、钨合金、纯钼、钼合金;优选纯钨。
[0012]优选地，所述的锥形为一头大另一头小的形状。[〇〇13]优选地，所述的锥形为圆锥、圆台、梯形台、菱锥、菱台、楔形;优选圆锥。[0〇14](三)有益效果
[0015]本发明的热沉材料，其导热性能可提高30-50% ;对于2mm厚度，焊接面上钨质量含量为10%的钨铜合金，热导率可达230w/(m ? K)，而热膨胀系数仅为5.6-6.0xl(T6/K。对于 2mm厚度，焊接面上钨质量含量为20%的钨铜合金，热导率可达300w/(m ? K)，而热膨胀系数仅为7.6-8.5xl(T6/K。本发明的热沉材料，其热导进一步提高，热膨胀系数能更好与芯片匹配。
[0016]本发明的新型热沉材料，性能好，成本低，能够满足目前大功率电子器件对热沉材料的要求。【附图说明】
[0017]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1是本发明热沉材料的剖面结构示意图；
[0019]图2是本发明热沉材料的芯片焊接面的成分分布图；
[0020]图3是本发明热沉材料的散热面的成分分布图；[0021 ]图4是本发明热沉材料的一个实施例的结构示意图；
[0022]附图标记:01、低膨胀组分，02、高热导组分，03、芯片焊接面，04、散热面。【具体实施方式】[〇〇23]下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0024]本发明是一种新的热沉材料，其组分的含量可沿一个固定方向规律变化，即在与芯片焊接的面上铜、银和铝等高导热组分含量稍低且钨或者钼含量稍高一些，而在远离焊接面上，高热导组分含量逐渐增加，而低膨胀组分含量随之减少;其成分沿主要散热方向呈现梯度变化。这样在焊接面上低膨胀组分含量高，该面就有较低的膨胀系数能与芯片匹配， 而沿着散热方向高导热组分含量增加，导热性能极大提高。这样就充分发挥了两种组分的优势，使材料实现了传统热沉材料无法实现的高热导和低膨胀。
[0025]本发明的热沉材料由低膨胀系数组分作为骨架，并在骨架中嵌入锥形高热导组分，结构如图1所示。
[0026]根据图1所示，01组分为低膨胀组分，主要是纯钨、纯钼或者钨和钼的合金，该组分连成整体，形成骨架，限制高导热组分的膨胀，起到提供低的膨胀系数的作用;02组分是高热导组分，并且在01组分内部呈锥形分布，提供高的导热性能。由于高导热组分02在低膨胀组分01内部呈锥形分布，这样就造成了芯片焊接面03上高导热组分含量低(见图2)，低膨胀组分含量高，进而03面的热膨胀系数较低，能很好与芯片匹配;而在散热方向上，随着锥形的变化，高热导组分02的含量不断增加，低膨胀组分01的含量减少，最终在散热面04上，高导热组分02的含量达到最大(见图3)，该面上散热能力最强。
[0027]通过这样的结构在导热方向上就形成了一种成分梯度变化的新型热沉材料，该结构使两种组分的优点得到充分发挥，热沉材料的导热性能进一步提高，并与芯片的匹配性能更好。
[0028]本发明新型热沉材料的特点:其成分沿某一固定方向呈梯度变化;高热导组分在低膨胀骨架内呈锥形分布;在电子芯片焊接面上本发明的热沉材料低膨胀组分含量高、高导热组分含量低，能很好的与芯片匹配；在散热面上高导热组分含量高、低膨胀组分含量低，该面热导率高，使材料具有非常好的导热性能。
[0029] 实施例1
[0030]本实施例热沉材料的高导热组分采用纯铜，锥形采用圆台；低膨胀组分采用纯钨， 钨在芯片焊接面上的质量百分含量为90%;产品总厚度为2.0mm。该热沉材料结构参见图4。
[0031]其制备方法如下:
[0032]根据材料性能要求，设计出铜锥的尺寸；
[0033]根据设计的铜锥尺寸，采用高精度加工，在纯钨坯料上钻出相应尺寸的锥形孔； [〇〇34]将钻好锥形孔的钨坯在还原气氛下经过1200 °C退火，并确保锥形孔内无氧化和油污等杂质；
[0035]钨坯退火好后采用熔渗工艺将熔融的铜渗入锥形孔内；[〇〇36]最后在铣床上将多余的铜铣掉，即得到本发明的热沉材料。[〇〇37]本实施例的热沉材料，在芯片焊接面上钨质量百分含量为90%，散热面上铜的含量为30%，本实施例的热沉材料，热导率可达235w/(m ? K)，热膨胀系数仅为5.8xl(T6/K。热导率得到极大提高，而热膨胀系数依然维持很低的水平，能与芯片进行良好的匹配。
[0038]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、 修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种热沉材料，其特征在于，该热沉材料由高热导组分和低膨胀组分组成;所述的高 热导组分在低膨胀组分骨架内呈锥形分布，高热导组分的质量百分含量沿着锥形中心轴线 方向上呈现梯度变化。2.根据权利要求1所述的热沉材料，其特征在于，所述的高热导组分为热导率500-150W/m.k的材料。3.根据权利要求2所述的热沉材料，其特征在于，所述的高热导组分为纯铜、铜合金、纯 银、银合金、纯铝、铝合金;优选纯铜。4.根据权利要求1所述的热沉材料，其特征在于，所述的低膨胀组分为热膨胀系数2.9-8.lppm/k的材料。5.根据权利要求4所述的热沉材料，其特征在于，所述的低膨胀组分为纯钨、钨合金、纯 钼、钼合金;优选纯钨。6.根据权利要求1所述的热沉材料，其特征在于，所述的锥形为一头大另一头小的形状。7.根据权利要求6所述的热沉材料，其特征在于，所述的锥形为圆锥、圆台、梯形台、菱 锥、菱台、楔形;优选圆锥。
【文档编号】H01L23/373GK106011577SQ201610620469
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】吴化波, 姜国圣, 段安婧, 姜伟, 周俊
【申请人】长沙升华微电子材料有限公司