[0001]
本实用新型涉及一种功率半导体散热器，尤其涉及一种热膨胀系数梯度分布的功率半导体散热器，属于电子封装材料技术领域。
背景技术：
[0002]
功率半导体器件在国民生产生活中扮演越来越重要的角色，在电力、轨道交通、激光、显示、照明、电动汽车等领域得到广泛应用。特别是第三代半导体材料的兴起，对器件的散热要求日益苛刻。现有的功率半导体封装结构一般包括芯片、引线、封装基板、热沉、散热器等数个部分组成。其中除引线是采用打线的方式分别与芯片和封装基板的线路层实现连接外，其余各部分之间均是采用钎焊或胶接的方式用热界面材料实现连接。
[0003]
但是，由于封装基板和热沉材料的热膨胀系数通常需要匹配半导体芯片的热膨胀系数，而散热器通常采用成本较低但膨胀系数较大的铜、铝材料，这就导致热沉与散热器之间存在热膨胀系数的失配，在器件工作过程中会因温度的变化而产生循环往复的热应力，严重威胁器件的可靠性；与此同时，连接的接头越多，热界面也就越多，而各种形式的界面都存在较大的界面热阻，对功率半导体器件的散热十分不利，影响器件的输出功率和使用寿命；此外，连接的接头越多，给封装工艺的一致性带来的不利因素就越多，给封装产品的质量稳定性带来更大挑战。
[0004]
金刚石/金属复合材料，即金刚石颗粒增强金属基复合材料，如金刚石铜、金刚石铝、金刚石银等，由于具有高达400w/mk以上的热导率，近年来受到学术和产业界的广泛关注和研究。但是目前在金刚石/金属复合材料领域的研究热点集中在金属基体对金刚石表面润湿性的改善和提高上，而对于具体封装技术和工艺研究甚少，一定程度上没有将此类材料的特性充分发挥。
技术实现要素：
[0005]
本实用新型的目的是解决目前热沉材料和散热器之间热膨胀系数不匹配而产生的热应力问题，简化封装结构和封装工艺，减少连接界面、提升功率半导体器件的散热能力，从而提升可靠性和质量稳定性。
[0006]
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种功率半导体散热器包括第一金刚石/金属复合层（1）、第二金刚石/金属复合层（2）、金属散热层（3）三个部分，第二金刚石/金属复合层（2）位于第一金刚石/金属复合层（1）和金属散热层（3）之间，且三者之间由金属相连、一体成型。
[0007]
第一金刚石/金属复合层（1）为金刚石颗粒增强金属基复合材料，所述金刚石体积分数为40%~80%，粒径为10~500μm，所述金属为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种，金刚石颗粒与金属基体之间存在1~5000nm厚的碳化物层，所述碳化物为碳化钛、碳化铬、碳化钨、碳化锆、碳化铌、碳化钒、碳化硅、碳化硼、碳化钼中的一种或多种。
[0008]
第二金刚石/金属复合层（2）为金刚石颗粒增强金属基复合材料，所述金刚石体积
分数为10%~40%，粒径为10~500μm，所述金属为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种，金刚石颗粒与金属基体之间存在1~5000nm厚的碳化物层，所述碳化物为碳化钛、碳化铬、碳化钨、碳化锆、碳化铌、碳化钒、碳化硅、碳化硼、碳化钼中的一种或多种。
[0009]
金属散热层（3）为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种制成，并设置有散热翅片（31）；当金属散热层（3）为铜合金、铝合金或银合金时，合金元素为ti、cr、w、zr、b、si、mo、nb、v、re、te、se、li、fe中的一种或多种，合金元素总含量为0.01%~5.50%。
[0010]
第一金刚石/金属复合层（1）中的金属、第二金刚石/金属复合层（2）中的金属、金属散热层（3）中的金属为同一种金属或合金。
[0011]
本实用新型设计的热膨胀系数梯度分布的复合热沉材料通过将不同金刚石含量的金刚石/金属复合层与金属散热层组合的方式实现了第一金刚石/金属复合层一侧的热膨胀系数与半导体芯片材料或陶瓷基板的热膨胀系数相匹配；金属散热层为金属材质具有易加工的特点并可直接作为散热器；第一金刚石/金属复合层与金属散热层之间为热膨胀系数介于二者之间的第二金刚石/金属复合层，可有效缓解二者之间因热膨胀系数相差较大而引起的较大热应力，达到了热膨胀系数在散热路径方向上梯度分布的效果，从而简化了封装结构和封装工艺，也避免了传统封装结构中热沉与散热器之间的热应力问题，消除了热沉和散热器之间的界面热阻，从而提升了功率半导体器件的散热能力，进而提升可靠性和质量稳定性。
附图说明
[0012]
图1为功率半导体散热器的结构示意图。
[0013]
附图标记说明：1—第一金刚石/金属复合层；2—第二金刚石/金属复合层；3—金属散热层；31—散热翅片。
具体实施方式
[0014]
下面结合附图和实施例对本实用新型的功率半导体散热器进行详细说明。
[0015]
工艺过程：第一步，制备不同体积含量的金刚石预制体：在一种或多种粒径的金刚石表面分别镀覆一层钛、铬、钨、锆、铌、钒、硅、硼、钼中的一种或多种作为界面层，然后将粘结剂与不同数量的镀膜金刚石分别均匀混合后压制成型，得到金刚石体积含量分别为40%~80%和10%~40%的第一压坯和第二压坯，再在50~300℃的温度下分别烘干进行脱脂、强化，得到不同体积分数且具有一定强度的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体；第二步，熔渗：按照第二金刚石预制体在下、第一金刚石预制体在上的顺序放入熔渗模具中，其中模具的内腔高度大于两个金刚石预制体厚度之和，接下来将熔化的铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金中的一种在无压或气压或机械压力的作用下利用毛细作用渗透进入熔渗模具中的第一金刚石预制体和第二金刚石预制体，此时金刚石预制体会因密度小于液态金属的密度而上浮，在熔渗模具的底端留下纯的液态金属区域，与此同时金刚石表面镀覆的薄膜会在高温下发生化学反应，生成相应的碳化物层；第三步，冷却脱模：充分渗透后冷却脱模，取出熔渗制品并打磨清洗；第四步，制作散热翅片：用电火花线切割加工金属散热层（3），得到带有散热翅片（31）的散热器。
[0016]
按照上述工艺过程，分别设置不同的金刚石粒径及其体积分数、金刚石与金属基
体间碳化物层及其厚度、金属散热层的材质，得到表1中的实施例1~实施例4。所制得的功率半导体散热器均由第一金刚石/金属复合层（1）、第二金刚石/金属复合层（2）、带有散热翅片（31）的金属散热层（3）三个部分组成，第二金刚石/金属复合层位于第一金刚石/金属复合层和金属散热层之间，且三者之间由金属相连、一体成型。对实施例1~实施例4得到的功率半导体散热器分别进行热沉和散热器之间连接的必要性、散热器导热性能、和可靠性进行定性评价，评价结果见表1。
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表1 实施例1~实施例4的参数设置和实施效果。
[0018][0019]
以上所述，仅仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。