一种含泡沫金属层的复合热沉及其制备方法与流程

本发明属于电子制造领域，具体指一种含泡沫金属层的复合热沉及其制备技术。

背景技术：

陶瓷具有良好的耐高温、耐腐蚀、热导率高、机械强度高、热膨胀系数(cte)与芯片材料匹配等特性，在电子封装中主要作为基板材料。目前市场上常见的陶瓷基板包括厚膜印刷陶瓷基板(tpc)、直接键合陶瓷基板(dbc)、活性金属焊接陶瓷基板(amb)和直接电镀陶瓷基板(dpc)等。对于功率器件封装而言，芯片产生的热量除了通过陶瓷基板传导散热外，还必须通过热沉与外界环境(如空气、流水等)进行热交换而降温。目前市场上常用热沉为金属翅片，散热面积小，使用中需要通过焊接、机械铆接等方式与陶瓷基板连接在一起，但由于焊接工艺或材料选择等原因，在界面产生很大的热阻和应力，从而影响散热效果与器件可靠性，此外专利cn201155735a中公开了一种采用多孔金属的制备散热结构，但是多孔金属层中的孔径大小分布一致，并且散热效果一般，综上所述，现有基板散热器件都存在一些不足，限制了其广泛应用。另一方面，对于大功率白光led、igbt等高功率器件封装，必须使用高效的散热基板。因此，研发出低成本，高效率散热器热沉结构技术意义重大。

技术实现要素：

针对现有技术不足或改进需求，本发明提供了一种含泡沫金属层的复合热沉及其制备方法。所述复合热沉由陶瓷基板和泡沫金属层组成，其特征在于，所述泡沫金属层具有梯度孔径结构，将所述泡沫金属层直接焊接在所述陶瓷基板上形成具有泡沫金属层的复合热沉。该方法制备含泡沫金属层的复合热沉，工艺成本低，散热性良好。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种含泡沫金属层的复合热沉具体包括多个泡沫金属层和陶瓷基板，其特征在于，所述泡沫金属层焊接于陶瓷基板上，所述泡沫金属层具有尺寸变化的孔径结构，所述泡沫金属层的孔径尺寸在远离所述陶瓷基板的厚度方向上由小增大，其中所述泡沫金属片焊接于所述陶瓷基板上。

进一步，所述泡沫金属层由多层子泡沫金属层叠加组成。

进一步，所述泡沫金属层在厚度方向上依次包括上层泡沫金属层、中层泡沫金属层和下层泡沫金属层，所述上层泡沫金属层靠近陶瓷基板，所述下层泡沫金属层远离陶瓷基板；所述上层泡沫金属层孔径尺寸最小且在厚度方向上相同，下层泡沫金属层孔径尺寸最大且在厚度方向上相同；所述中层泡沫金属层孔径尺寸在厚度方向上不变，或者呈线性分布，或者呈指数分布。

进一步，所述泡沫金属材料为铝、铜、镍或或由铝、铜、镍金属全部或者部分组成的合金。

进一步，所述泡沫金属层内部孔径尺寸为100-1000μm；并且所述泡沫金属层总厚度为1-10mm。

进一步，所述陶瓷基板为厚膜印刷陶瓷基板、直接键合陶瓷基板、活性金属焊接陶瓷基板或直接电镀陶瓷基板。

实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种含泡沫金属层的复合热沉制备方法。

步骤一：制备一面或者双面含金属线路层的陶瓷基板；

步骤二：制备不同孔径大小的泡沫金属层，包括上层泡沫金属层、中层泡沫金属层、下层泡沫金属层。

步骤三：采用焊料将所述上层泡沫金属层、中层泡沫金属层、下层泡沫金属层依次焊接于所述陶瓷基板上，其中所述上层泡沫金属层到所述下层泡沫金属层的孔径尺寸由小增大。

进一步，在步骤二中，所述上层泡沫金属层孔径尺寸为100-300μm、所述中层泡沫金属层孔径尺寸为300-500μm，所述下层泡沫金属层孔径尺寸为500-1000μm。

进一步，在步骤二中，所述上层泡沫金属层，所述中层泡沫金属层，所述下层泡沫金属层中可有一层或者多层子泡沫金属层叠加组成。

进一步，在步骤三中，所述焊料采用丝网印刷或喷涂焊膏、贴装焊片等方式制备。

进一步，在步骤三中，所述焊接加热的时间为2-5分钟，优选为3分钟，加热温度为200-300℃，优选为250℃。

总体而言，本发明所提供的以上技术方案与现有技术相比，具有明显的优点和效果：

1)多层泡沫金属层具有从上层到下层的梯度分布孔径结构，上述结构比表面积大，使用时由于不同孔径结构易于形成气压差产生烟囱效应，从而在不同孔径间形成气体流动，大幅提高散热效果；

2)本发明采用金属焊料将泡沫金属层直接焊接在陶瓷基板上，界面热阻低，且结构紧凑，材料和工艺成本低，可批量生产；

3)本发明采用的泡沫金属层进行散热，比现有技术中的热沉结构更为轻便，符合目前陶瓷基板小型化，集成化要求。

附图说明

图1-1为现有技术中鱼鳍型散热片热沉；

图1-2为现有技术中含泡沫金属层的热沉；

图2为泡沫金属片实物；

图3为本发明实施例1中含泡沫金属层的复合热沉结构示意图；

图4为本发明实施例1中含泡沫金属层的复合热沉制备工艺流程图；

图5为本发明实施例1-2中含泡沫金属层的复合热沉中孔径分布；

图中，金属线路层-1，单/双面陶瓷基片-2，焊料层-3，泡沫金属第一层-4，泡沫金属第二层-5，泡沫金属第三层-6，金属泡沫层-7，鱼鳍型散热片-8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1-1为现有技术中鱼鳍型散热片热沉，其中通过采用鱼鳍型散热片8和陶瓷基板3焊接实现散热，但鱼鳍型散热片8需要大量金属铜，铝等材料用于提升比表面积，因此该散热片体积重量较大，成本较高，不符合目前陶瓷基板散热片应用要求。

图1-2为现有技术中泡沫金属型热沉，其中采用具有孔洞的金属泡沫层7和陶瓷基板3焊接实现散热。但是目前金属泡沫层7中孔洞孔径分布一致，尽管具有较大比表面积，但是不能在孔洞内形成有效的气流，散热效果不理想。

图2为本发明泡沫金属层实物结构。

图3为本发明一种优选实施例结构示意图。如图3所示，该复合热沉由陶瓷基板和多层泡沫金属层组成，其中多层泡沫金属层由上层泡沫金属层，中层泡沫金属层和下层泡沫金属层组成，并且上层泡沫金属层，中层泡沫金属层和下层泡沫金属层中孔径尺寸具有梯度分布，将多层泡沫金属层直接焊接在陶瓷基板上。

进一步，所述泡沫金属层材料为金属铝、金属铜、金属镍或铝、铜、镍金属全部或者部分组成的合金；

进一步，所述上层泡沫金属层，中层泡沫金属层以及下层泡沫金属层中孔径尺寸分布为100-1000μm，由上到下且呈梯度变化，既上层泡沫金属层到下层泡沫金属层孔径尺寸逐渐增加；

进一步，所述上层泡沫金属层，中层泡沫金属层，下层泡沫金属层可由多层子泡沫金属层叠加组成；

进一步，所述多层泡沫金属层总厚度为1-10mm；

进一步，所述陶瓷基板为厚膜印刷陶瓷基板、直接键合陶瓷基板、活性金属焊接陶瓷基板或直接电镀陶瓷基板等；

上述所述的一种含泡沫金属层的复合热沉制备方法，图3-2是按照本发明提出的复合热沉制备工艺流程图。具体包括以下步骤：

1)制备一面或者双面含金属线路层的陶瓷基板；

2)制备含不同孔径结构的上层泡沫金属层，中层泡沫金属层和下层泡沫金属层；其中上述泡沫金属层采用粉末冶金发泡法制备。

3)采用金属焊料将上层泡沫金属层，中层泡沫金属层和下层泡沫金属层依次从上至下焊接在陶瓷基板上。

进一步，所述金属焊料采用丝网印刷或喷涂焊膏、贴装焊片等方式制备。

进一步，所述泡沫金属层材料为金属铝、金属铜、金属镍或铝、铜、镍金属全部或者部分组成的合金；

进一步，所述上层泡沫金属层，中层泡沫金属层以及下层泡沫金属层中孔径分布为尺寸100-1000μm，且呈梯度变化，其中上层泡沫金属层到下层泡沫金属层孔径依次增加；

进一步，所述上层泡沫金属层孔径为尺寸100-300μm、中层泡沫金属层孔径尺寸为300-500μm以及下层泡沫金属层孔径为500-1000μm；

进一步，所述上层泡沫金属层，中层泡沫金属层，下层泡沫金属层中可有一层或者多层子泡沫金属层叠加组成；

本发明具有材料和工艺简单、可批量制备等优点，且制备的含泡沫金属层的复合热沉具有界面热阻低、应力小等技术优势，可满足功率器件封装要求。

下面结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

本实施例提供一种含泡沫铝层的复合热沉以及制备方法，如图4，具体包括以下步骤：

1)采用激光打孔、溅射镀膜、图形电镀与填孔等工艺，制备双面含金属线路层的直接电镀陶瓷基板。其中，直接电镀陶瓷基板中的陶瓷片材料为氧化铝，厚度为0.5mm，金属线路层材料为钛铜层，金属线路层总厚度为50μm；

2)采用粉末冶金发泡法制备泡沫铝。通过调节发泡剂含量，其中发泡剂材料为tih2，制备多个泡沫铝层。上述多个泡沫铝层具有不同孔径直径，所述上层泡沫铝层孔径尺寸为100-300μm、中层泡沫铝层孔径尺寸为300-500μm以及下层泡沫金属层孔径尺寸为500-1000μm；并且上述多个泡沫金属层中孔径成梯度分布，进一步，所述泡沫金属层孔径大小依次增加，其中，上层泡沫铝层，中层铝金属以及下层铝金属的总厚度为6-8mm，优先总厚度为6.2mm，平均孔隙率为50-90％，优先孔隙率75％。

3)采用丝网印刷技术，将无铅焊膏，例如snagcu材料，涂覆于直接电镀陶瓷基板反面金属层上，将上层泡沫铝层，中层泡沫铝层，下层泡沫铝层与陶瓷基板对准后加热，加热时间为2-5分钟，优选为3分钟，加热温度为200-300℃，优选为250℃，完成泡沫铝层与陶瓷基板间焊接。

实施例2

本实施例提供一种含泡沫铜层的复合热沉以及制备方法，如图4，具体包括以下步骤：

1)采用丝网印刷与高温烧结技术，制备双面含金属线路层的厚膜印刷陶瓷基板。其中，陶瓷片材料为氮化铝，厚度为1.0mm，金属线路层为材料为银，所述银层厚度为20μm；

2)采用烧结－脱溶技术制备具有孔洞结构的泡沫铜层。通过调节nacl含量，其中nacl重量比10％-30％，上述多个泡沫铜层具有不同孔径，所述上层泡沫铜层孔径尺寸为100-300μm、中层泡沫铜层孔径尺寸为300-500μm以及下层泡沫铜层孔径为500-1000μm；并且上述多个泡沫铜层孔径成梯度分布，并且上层泡沫铜层，中层泡沫铜层以及下层泡沫金属总厚度为6-10mm，优先总厚度为8.7mm，平均孔隙率为50-90％，优先平均孔隙率75％。

3)将厚度为0.2mm的无铅焊片，如snagcu材料，置于陶瓷基板和泡沫铜层间，其中泡沫铜层紧贴于陶瓷基板，对准后加热，加热时间为2-5分钟，优选为3分钟，加热温度为200-300℃，优选为250℃，，完成泡沫铜层与陶瓷基板间焊接。

实施例3

本实施例提供一种含泡沫金属层的复合热沉，如图4。该复合热沉由陶瓷基板和多层泡沫金属层组成，其中多层泡沫金属层由上层泡沫金属层，中层泡沫金属层和下层泡沫金属层组成，并且上层泡沫金属层，中层泡沫金属层和下层泡沫金属层中孔径尺寸具有梯度分布。

如图5中，为多层泡沫金属层孔径尺寸分布，其中，泡沫金属层中孔径尺寸由上到下为线性分布增加，指数型分布增大以及阶梯分布增加，其中线性分布增加，指数型分布增大为连续性增加，阶梯分布增大为非连续性增加。

本领域技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。