金剛石銅熱沉材料制造技術

本實用新型專利技術是金剛石銅雙面覆銅熱沉材料，其結構是由金剛石銅芯材L1和雙面無氧銅片復合構成的三明治結構，其中金剛石銅L1的表面是金剛石銅芯材表面鍍鎳層L2，金剛石銅芯材表面鍍鎳層L2的表面是無氧銅片底面的銀銅焊料L4，無氧銅片底面的銀銅焊料L4的表面是上表面無氧銅L6，金剛石銅L1的底面是金剛石銅芯材底面鍍鎳層L3，金剛石銅芯材底面鍍鎳層L3的底面是無氧銅片表面銀銅焊料L5，無氧銅片表面銀銅焊料L5的底面是底面無氧銅L7。優點：金剛石銅雙面覆銅熱沉材料用于固態微波大功率器件可實現優良的散熱和高可靠性，與傳統鎢銅材料相比，亦可起到減重的作用。

【技術實現步驟摘要】

本技術是一種可用于固態微波大功率器件的金剛石銅雙面覆銅熱沉材料。
技術介紹
隨著半導體材料和電子器件技術的發展，固態微波大功率器件向更高的功率和更加小型化發展，使得耗散的熱流密度也越來越高，其高性能和高可靠性的實現越來越依賴高散熱能力的熱沉材料。目前市場上廣泛應用的銅基熱沉材料，原理上都是在高熱導率、高熱膨脹系數（CTE）的無氧銅中通過加入低CTE的增強相來降低材料的CTE，使之與陶瓷材料或半導體芯片材料相匹配。目前，在保證CTE匹配的前提下，鎢銅、銅鉬銅等現有成熟的銅基熱沉材料的最高熱導率只能做到280W/mK。如果再通過增加銅的質量比例來提高材料的熱導率，CTE也隨之增大，將引起CTE失配的風險。GaN功率管技術與LDMOS功率管技術是當前雷達、無線通訊等領域微波大功率管解決方案中兩大最具代表性的陣營。但從器件的封裝形式上，二者有一個共同點，即芯片源極接地并直接焊接在管殼的熱沉上，因此，大約95%以上的熱耗散以熱沉為通道。GaN器件具有寬禁帶、高擊穿場強、高功率密度以及抗輻射能力強等優點，其輸出功率密度遠大于現有的Si和GaAs器件，這意味著對管殼的散熱能力提出了更高的要求。金剛石是自然界中熱導率最高的物質，常溫下熱導率為2200～2600W/m·K，熱膨脹系數約為0.86×10-6/K。國內外研究者自然地想到將金剛石為增強相，銅為基體制成復合材料，以實現了高熱導率與低熱膨脹系數的結合，能夠與芯片和氧化鋁很好地匹配，成為當前微波大功率管外殼熱管理技術中最具競爭力的研究方向之一。金剛石銅復合材料有固相成形和液相成形兩種技術，再合理利用其他溫度、時間、壓力等條件來制備。目前國內外關于該復合材料的制備方法主要有以下幾種：高溫高壓法、放電等離子燒結、壓力浸滲法等。美國太陽微系統公司與勞倫斯洛莫國家實驗室最早于1995年聯合開發了金剛石／銅復合材料，稱之為Dymalloy，作為多芯片模塊的基板使用，熱導率為420W／mK，25℃～200℃時的熱膨脹系數為（5．48～6．5）×10-6/K，與GaAs的熱膨脹系數相匹配，但制備工藝比較復雜、成本也很高。2002年，日本住友電工（SEI）就制備出金剛石／銅復合材料，奧地利的Plansee公司研制出熱導率在450W/m·K～650W/m·K的金剛石/銅復合材料，最大尺寸可以達到200mm，最大厚度6.0mm，已在微波器件、熱沉等領域得到應用。
技術實現思路
本技術提出的是一種金剛石銅熱沉材料，其目的旨在解決金剛石銅材的氣密性和鍍覆困難的問題，同時材料的熱膨脹系數也能夠與陶瓷和芯片相匹配。本技術的技術方案：金剛石銅雙面覆銅熱沉材料，其結構是由金剛石銅芯材L1和雙面無氧銅片復合構成的三明治結構，其中金剛石銅L1的表面是金剛石銅芯材表面鍍鎳層L2，金剛石銅芯材表面鍍鎳層L2的表面是無氧銅片底面的銀銅焊料L4，無氧銅片底面的銀銅焊料L4的表面是上表面無氧銅L6，金剛石銅L1的底面是金剛石銅芯材底面鍍鎳層L3，金剛石銅芯材底面鍍鎳層L3的底面是無氧銅片表面銀銅焊料L5，無氧銅片表面銀銅焊料L5的底面是底面無氧銅L7。所述的金剛石銅芯材料中金剛石的質量百分比為40%～60%。所述的金剛石銅芯材料的厚度為0.4mm～0.8mm,無氧銅片的厚度為0.1mm～0.3mm。所述的金剛石銅芯材料的表面鍍鎳層的厚度為1μｍ～3μｍ，退火峰值的溫度為780℃～850℃。本技術的優點：將上金剛石銅雙面覆銅熱沉材料用于固態微波大功率器件可實現優良的散熱和高可靠性，與傳統鎢銅材料相比，亦可起到減重的作用。材料熱導率大于500W/m·K，同時CTE維持在6～8ppm/K；并且通過雙面覆銅，可使材料的氣密性不大于1×10-9Pa·m3/s，表面更容易電鍍鎳金。附圖說明：附圖1是金剛石銅雙面覆銅熱沉材料的結構示意圖。圖中的L1是金剛石銅芯材，L2是金剛石銅芯材的表面的鍍鎳層，L3是金剛石銅芯材底面的鍍鎳層，L4是無氧銅片底底面的銀銅焊料，L5是與無氧銅片表面的銀銅焊料，L6為上表面的無氧銅，L7為下表面的無氧銅片。具體實施方式對照附圖，金剛石銅雙面覆銅熱沉材料，其結構是由金剛石銅芯材L1和雙面無氧銅片復合構成的三明治結構，其中金剛石銅L1的表面是金剛石銅芯材表面鍍鎳層L2，金剛石銅芯材表面鍍鎳層L2的表面是無氧銅片底面的銀銅焊料L4，無氧銅片底面的銀銅焊料L4的表面是上表面無氧銅L6，金剛石銅L1的底面是金剛石銅芯材底面鍍鎳層L3，金剛石銅芯材底面鍍鎳層L3的底面是無氧銅片表面銀銅焊料L5，無氧銅片表面銀銅焊料L5的底面是底面無氧銅L7。所述的金剛石銅芯材料中金剛石的質量百分比為40%～60%。所述的金剛石銅芯材料的厚度為0.4mm～0.8mm,無氧銅片的厚度為0.1mm～0.3mm。所述的金剛石銅芯材料的表面鍍鎳層的厚度為1μｍ～3μｍ，退火峰值的溫度為780℃～850℃。實施例1以Freescale公司的NI780-4封裝外殼為例，其熱沉材料可用本專利技術公布的制造方法制作。第一步，采用放電等離子燒結法制備金剛石銅復合材料坯料；第二步，按照零件圖，將金剛石銅復合材料坯料機械加工成34.04mm×9.78mm×0.6mm的金剛石銅芯材;第三步，在金剛石銅芯材表面鍍鎳1μｍ～3μｍ,然后經過峰值溫度為780℃～850℃的高溫退火，保證材料表面金屬化層連續致密，不起皮，不起泡；第四步，采用化學刻蝕方法制備兩片34.04mm×9.78mm×0.2mm厚度的無氧銅片；第五步，使用銀銅焊料將第四步制備的兩片無氧銅片釬焊在第三步鍍好鎳的金剛石銅芯材上下兩面；第六步，按照零件圖，將第五步制作出的熱沉半成品在銑床上去除材料，加工至厚度1mm。實施例1制備的熱沉材料經與氧化鋁陶瓷框、引線等其他外殼零件焊接可制作出固態微波大功率器件封裝外殼，用于封裝200WGaN微波功率管。實施例2根據耐馳公司LFA447熱分析儀所需的材料熱導率測試標樣要求，可以采用本專利技術公布的制造方法制作材料熱導率測試標樣。第一步，采用放電等離子燒結法制備金剛石銅復合材料坯料；第二步，按照零件圖，將金剛石銅復合材料坯料機加工成Φ12.65mm×0.6mm的金剛石銅芯材;第三步，在金剛石銅芯材表面鍍鎳1μｍ～3μｍ,然后經過峰值溫度為780℃～850℃的高溫退火，保證材料表面金屬化層連續致密，不起皮，不起泡；第四步，采用化學刻蝕方法制備兩片Φ12.65mm×0.2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
金剛石銅雙面覆銅熱沉材料，其特征是由金剛石銅芯材和雙面無氧銅片復合構成的三明治結構，其中金剛石銅的表面是金剛石銅芯材表面鍍鎳層，金剛石銅芯材表面鍍鎳層的表面是無氧銅片底面的銀銅焊料，無氧銅片底面的銀銅焊料的表面是上表面無氧銅，金剛石銅的底面是金剛石銅芯材底面鍍鎳層，金剛石銅芯材底面鍍鎳層的底面是無氧銅片表面銀銅焊料，無氧銅片表面銀銅焊料的底面是底面無氧銅。

【技術特征摘要】
1.金剛石銅雙面覆銅熱沉材料，其特征是由金剛石銅芯材和雙面無氧銅片復合構成的
三明治結構，其中金剛石銅的表面是金剛石銅芯材表面鍍鎳層，金剛石銅芯材表面鍍鎳層
的表面是無氧銅片底面的銀銅焊料，無氧銅片底面的銀銅焊料的表面是上表面無氧銅，金
剛石銅的底面是金剛石銅芯材底面鍍鎳層，金剛石銅芯材底面鍍鎳層的底面是無氧銅片表
面銀銅焊料，無氧銅片表面銀...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊建，程凱，王子良，
申請(專利權)人：中國電子科技集團公司第五十五研究所，
類型：新型
國別省市：江蘇;32