专利名称：一种功率器件用热沉材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于功率器件的构件技术领域，具体的讲涉及一种功率器件用 热沉材料及其制备方法。
背景技术：
电子器件，尤其是大功率器件，工作时构成上述器件的半导体芯片会 产生热量，为了能够将热量及时导出必须使用热沉或封装材料。在电子器 件结构上，由于热沉或封装材料与半导体芯片连接在一起形成一体结构， 因此，所使用的热沉或封装材料不仅具有良好的导热性能，而且其热膨胀 系数还必须与半导体芯片相匹配。目前，大功率的电子器件所使用的热沉或封装材料为金属钼构成，但由金属钼构成的热沉或封装材料的热导率只能达到146.5w/m *k;随着功率 器件的功率不断增大的要求，必须选用其他的既与半导体芯片的热膨胀系 数相一致且热导率大的新材料来代替金属钼构成的热沉或封装材料。发明内容本发明的目的就是提供一种能够满足大功率的电力电子器件和大规模 集成电路所使用的热沉或封装材料。为解决上述问题，本发明采用的技术方案为一种功率器件用热沉材料，由5—20重量份的铜和80—95重量份的钨 构成。制备上述一种功率器件用热沉材料的方法，包括下列步骤第一步混料取钨粉或掺有一定比例铜粉的钨铜混合粉置入滚筒中，同时加入润湿剂进行混合；第二步压制成型将混合均匀的钨粉或所述的钨铜混合粉取出置入模具中压制成型； 第三步烧结将压制成型的钨粉或所述的钨铜混合粉和所需的铜块叠好，置入还原七分获真空烧结炉中加温至1200—150(TC进行烧结熔渗；第四步后处理将烧结熔渗的钨铜合金取出，切割成所需要的厚度并镀镍后即可成为功率器件所使用的热沉材料；其中一一在所述的压制成型工序中，其中模具中包括有若干层的混合均匀 的钨粉或掺有一定比例铜粉的钨铜混合粉和若干层的铜或铜银纤维丝层， 二者相间叠加，且两端层均为混合均匀的钨粉或掺有一定比例铜粉的妈铜混合粉；——所述的铜或铜银纤维丝层为编制的网状结构； ——所述的铜或铜银纤维丝层为径向或纵向的单向纤维结构层； ——所述的钨粉或钨铜混合粉包含有若干种不同的粒度。 本发明所提供的一种功率器件用热沉材料及其制备方法与现有技术相 比具有以下优点1、 由于该功率器件用热沉材料采用由高熔点、高硬度的鸦和高导电、导热率的铜所构成的假合金而通过温度为1200—150(TC烧结熔渗形成，其 中金属钨的含量在80—95%间，铜的含量在5—20%间，即烧结后，金属鸨 由于没有熔化而形成复合材料的骨架，由于含量在80—95%的金属鸨形成 复合材料的骨架，该骨架具有极小的热膨胀率，同时调节铜的含量可以达 到调节所构成的热沉材料的膨胀率，从而可以保证与半导体材料相匹配的 膨胀系数的特点；2、 经过温度1200—150(TC的烧结熔渗工序，由于金属铜的熔点为1085 °C，烧结时熔化并充满整个金属钨形成的骨架形成连片结构，因此该结构 的热沉材料保证了其良好的导热性能；经检测由由5—20重量份的铜和80 一95重量份的钨构成的热沉材料或封装材料的热导率能够达到220w/m k以上；3、由于在制备功率器件用热沉材料的工艺过程中，在形成热沉材料的 坯中的预定方向上埋入了若干层的金属铜或银铜纤维层，使得热沉材料中 的具有导热特性的金属铜或银铜纤维能够形成连体结构，因此所制备的热 沉材料具有定向的导热性能。
图l:为功率器件用热沉材料的内部显微结构示意图； 图2:烧结成型后的功率器件用热沉材料坯块的结构示意图； 图3:具有定向导热特性的功率器件用热沉材料的内部显微结构图； 图4:具有双向导热特性的功率器件用热沉材料的坯块结构图； 图5:具有双向导热特性的功率器件用热沉材料的内部显微结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的功率器件用热沉材料及其制备方法的 作进一步的详细说明。如图1所示，为本发明所提供的烧结熔渗后钨铜合金的内部结构图， 包括由金属镍镀层3包裹的金属钨构成的骨架1和渗熔于该骨架中的具有 导热性能的金属铜2。该结构的钨铜合金通过以下工序制备。第"*步 混料取粒度分别为4_6微米的钨粉20公斤和60公斤以及1.2Kg的硬脂酸 置入球磨筒中搅拌混合，混合时间1小时。 第二步压制成型取混合钨粉1.26公斤分成七份和直径在50—200微米间的铜纤维0.20 公斤分成六层相间置入50毫米X100毫米的模具中压制成型；压制压力按 压坯厚度20毫米控制，并保压2 4分钟。第三步烧结熔渗将压制成型的钨坯用0.06公斤厚度为150—200微米的无氧铜皮裹好， 置入烧结炉中经10(TC的温度预烧20分钟后，再于140(TC、氢气保护下烧结熔渗50分钟；第四步后处理将烧结熔渗的钨铜合金(如图2所示)，沿A—A向切割成厚度为2毫 米X20毫米X50毫米的片材，经过精磨或研磨和镀镍后，即可成为如示意 图2所示的外部由镍层3包裹，金属铜形成具有导热性能的连体结构2和金 属钨形成的骨架结构1构成的功率器件用W—Cu合金热沉材料。为了提高金属铜在金属物形成的骨架中熔渗得更加均匀，则在钩粉中 掺入一定量的金属铜粉；并且为了方便所形成的W—Cu合金热沉材料密度 的调整，金属钨粉采用两种不同的粒度，如以下实施例2:实施例2第一步混料取粒度分别为3—4微米和6—8微米的钨粉20公斤和60公斤、粒度 为10—20微米的铜粉2公斤以及1.5Kg的硬脂酸置入球磨筒中搅拌混合， 混合时间1小时。第二步压制成型取混合均匀的钨铜粉1.26Kg分成七份，取0.0378公斤的金属铜，制成 六层规格为50毫米XIOO毫米X200微米的铜皮，将钩铜粉和铜皮相间置 入50毫米X 100毫米的模具中压制成型；压制压力按压坯厚度20毫米控制， 并保压2 4分钟。第三步烧结熔渗将压制成型的钨铜坯置入烧结炉中经15(TC的温度预烧5分钟后，再于 140(TC、氢气保护下烧结熔渗50分钟； 第四步 后处理将烧结熔渗的钨铜合金(如图2所示)，沿A—A向切割成厚度为2毫 米X20毫米X50毫米的片材，经过精磨或研磨和镀镍后，即可成为如示意 图2所示的外部由镍层3包裹，金属铜形成具有导热性能的连体结构2和金 属钨形成的骨架结构1构成的功率器件用W~Cu合金热沉材料。在选择金属钨的粒度时，其粒度越小金属骨架的密度越大，其导热作用的金属铜的熔渗量就越小，相对而言所制备出的W—Cu合金热沉材料的导 热性能就会变小，但其热膨胀系数会越小。 实施例3为了进一步提高功率器件用热沉材料的导热性能，如图3所示，在由七层钨铜合金层4相间夹有六层铜构成的单向纤维结构层5，该功率器件用 热沉材料使用时其热量不仅可以通过由熔渗形成了连体结构2的铜导出， 而且还会沿单向纤维的方向向外导出，因此具有定向的导热特性，其制备工序为第一步 混料取粒度分别为l一2微米和6—8微米的钩粉20公斤和60公斤、粒度 为10—20微米的铜粉15公斤以及2.0Kg的硬脂酸置入球磨筒中进行搅拌 混合，混合时间70分种。第二步压制成型取混合均匀的钩铜粉L4Kg分7次加入50毫米X 100毫米的模具中， 同时将利用0.07公斤的金属铜制备成的至直径150—200微米间的铜纤维， 在钨铜粉层上铺设一层铜纤维构成的单向纤维结构层，在单向纤维结构层 上再铺设第二层钨铜粉，依次铺设六层的单向纤维结构层和七层的钨铜粉， 然后压制成型；第三步烧结将压制成型的钨铜粉坯置入烧结炉中经低温30(TC预烧结后再在1350 °C、氢气的保护下烧结70分钟； 第四步 后处理将烧结熔渗的钨铜合金坯(如图4所示)，沿A—A向(金属铜单向纤 维的垂直向)切割成厚度2毫米X20毫米X50毫米的薄片，经过精加工和 镀镍后，即可成为示意图3所示的外部由镀层1包裹，由七层钨铜合金4 和金属铜纤维丝构成的单向纤维结构层5相间构成的功率器件用W—Cu合 金热沉材料。在上述实施例中，将单相的铜纤维改为由铜纤维编织的网，制备成的功率器件用W—CU合金热沉材料，具有两个方向的导热特性。即如以下实 施例实施例4第一步混料取粒度分别为4一6微米的鸭粉85公斤、粒度为10—20微米的铜粉10 公斤以及2.0Kg的硬脂酸置入球磨筒中进行搅拌混合，混合时间65分种混 合均匀；第二步压制成型取混合均匀的钨铜粉1.4Kg分10次加入50毫米X 100毫米的模具中， 同时将利用0.07公斤的金属铜制备成的直径为150—200微米间的铜纤维， 并编织成九片规格为50毫米X 100毫米的网状结构，在钩铜粉层上铺设一 层铜纤维网构成的纤维网结构层，在纤维网结构层上再铺设第二层钨铜粉， 依次铺设九层的纤维网结构层和十层的钨铜粉，然后压制成型；第三步烧结将压制成型的钨铜粉坯置入烧结炉中，加热至25(TC恒温20分钟，然 后加温至150(TC在氮气的保护下无氧烧结90分钟； 第四步后处理将烧结成型的钨铜合金取出，沿所铺设一层金属铜网构成的纤维网结 构层的垂直向切割成厚度为2毫米X50毫米X100毫米的块体，经过抛光 加工和镀镍后，即可成为如图5所示的外部由镍层1包裹，由金属铜构成 的纤维网结构层6和钨铜合金层4相间构成的功率器件所使用的热沉材料。在上述制备工序中，钨铜粉层的铺设厚度、铺设层数及相间铺设的金 属铜或银铜合金构成的纤维网结构层的铺设厚度、铺设层数根据所制备的 热沉材料的需求而定。在该实施例中，金属铜纤维丝也可以由金属铜和银的合金纤维来代替， 其导热性能更好。在本专利的实施例中，金属钨粉和金属铜粉的粒度一般选择在微米级， 即选择在2—20微米间更容易使得熔化的金属铜更容易充满金属钨构成的骨架形成连片结构，更利于热传导。同样金属铜或银铜合金构成的单向纤 维结构层或编织成的网状结构层的单向纤维的直径或厚度一般也选择在10 ——50微米间。在上述制备工艺中，使用润湿剂的目的是为了使得金属钨粉和金属铜 粉的粘合，有利于向模具中添加操作。因此该润湿剂只要选择不含有金属 离子并且不会与金属钨粉和金属铜发生化学反应的如酒精、甘油以及二者 的混合物粘合剂即可。该有机粘合剂可以在高温烧结过程中变为气体挥发 掉，并不残存在烧结成型钨铜粉坯中。
权利要求
1. 一种功率器件用热沉材料，其特征在于由5-20重量份的铜和80-95重量份的钨构成。
2、 制备权利要求1所述的一种功率器件用热沉材料的方法，包括下列 步骤第一步混料取钨粉或掺有一定比例铜粉的钨铜混合粉置入滚筒中，同时加入润湿 剂进行混合；第二步压制成型将混合均匀的所述的钨粉或钨铜混合粉取出置入模具中压制成型； 第三步烧结将压制成型的钨粉或所述的钨铜混合粉和所需的铜块叠好，置入还原 七分获真空烧结炉中加温至1200—1500。C进行烧结熔渗； 第四步后处理将烧结熔渗的钨铜合金取出，切割成所需要的厚度并镀镍后即可成为 功率器件所使用的热沉材料；
3、 如权利要求2所述的制备功率器件用热沉材料的方法，其特征在于 在所述的压制成型工序中，其中模具中包括有若干层的混合均匀的钨粉或 掺有一定比例铜粉的钨铜混合粉和若干层的铜或铜银纤维丝层，二者相间 叠加，且两端层均为混合均匀的鸨粉或掺有一定比例铜粉的钨铜混合粉。
4、 如权利要求3所述的制备功率器件用热沉材料的方法，其特征在于 所述的铜或铜银纤维丝层为编制的网状结构。
5、 如权利要求3所述的制备功率器件用热沉材料的方法，其特征在于所述的铜或铜银纤维丝层为径向或纵向的单向纤维结构层。
6、 如权利要求2、 3、 4或5所述的制备功率器件用热沉材料的方法， 其特征在于所述的钨粉或钨铜混合粉包含有若干种不同的粒度。
全文摘要
本发明属于功率器件的构件技术领域，具体地讲公开了一种功率器件用热沉材料及其制备方法。其主要技术方案为即功率器件用热沉材料由5-20重量份的铜和80-95重量份的钨通过混料、压制成型、烧结和后处理制备而成。由上述工艺制备出的功率器件用热沉材料具有与半导体材料相匹配的膨胀系数和热导率高的特点，能够满足目前大功率期间的需要；该功率器件用热沉材料还具有定向的导热性能。
文档编号B22F3/12GK101265541SQ20081005495
公开日2008年9月17日 申请日期2008年5月8日 优先权日2008年5月8日
发明者宋希振 申请人:宋希振