CN205303452U - 金刚石铜热沉材料 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是金刚石铜双面覆铜热沉材料，其结构是由金刚石铜芯材L1和双面无氧铜片复合构成的三明治结构，其中金刚石铜L1的表面是金刚石铜芯材表面镀镍层L2，金刚石铜芯材表面镀镍层L2的表面是无氧铜片底面的银铜焊料L4，无氧铜片底面的银铜焊料L4的表面是上表面无氧铜L6，金刚石铜L1的底面是金刚石铜芯材底面镀镍层L3，金刚石铜芯材底面镀镍层L3的底面是无氧铜片表面银铜焊料L5，无氧铜片表面银铜焊料L5的底面是底面无氧铜L7。优点：金刚石铜双面覆铜热沉材料用于固态微波大功率器件可实现优良的散热和高可靠性，与传统钨铜材料相比，亦可起到减重的作用。
Description
技术领域
本实用新型是一种可用于固态微波大功率器件的金刚石铜双面覆铜热沉材料。
背景技术
随着半导体材料和电子器件技术的发展，固态微波大功率器件向更高的功率和更加小型化发展，使得耗散的热流密度也越来越高，其高性能和高可靠性的实现越来越依赖高散热能力的热沉材料。目前市场上广泛应用的铜基热沉材料，原理上都是在高热导率、高热膨胀系数（CTE）的无氧铜中通过加入低CTE的增强相来降低材料的CTE，使之与陶瓷材料或半导体芯片材料相匹配。目前，在保证CTE匹配的前提下，钨铜、铜钼铜等现有成熟的铜基热沉材料的最高热导率只能做到280W/mK。如果再通过增加铜的质量比例来提高材料的热导率，CTE也随之增大，将引起CTE失配的风险。
GaN功率管技术与LDMOS功率管技术是当前雷达、无线通讯等领域微波大功率管解决方案中两大最具代表性的阵营。但从器件的封装形式上，二者有一个共同点，即芯片源极接地并直接焊接在管壳的热沉上，因此，大约95%以上的热耗散以热沉为通道。GaN器件具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度以及抗辐射能力强等优点，其输出功率密度远大于现有的Si和GaAs器件，这意味着对管壳的散热能力提出了更高的要求。金刚石是自然界中热导率最高的物质，常温下热导率为2200～2600W/m·K，热膨胀系数约为0.86×10-6/K。国内外研究者自然地想到将金刚石为增强相，铜为基体制成复合材料，以实现了高热导率与低热膨胀系数的结合，能够与芯片和氧化铝很好地匹配，成为当前微波大功率管外壳热管理技术中最具竞争力的研究方向之一。
金刚石铜复合材料有固相成形和液相成形两种技术，再合理利用其他温度、时间、压力等条件来制备。目前国内外关于该复合材料的制备方法主要有以下几种：高温高压法、放电等离子烧结、压力浸渗法等。美国太阳微***公司与劳伦斯洛莫国家实验室最早于1995年联合开发了金刚石／铜复合材料，称之为Dymalloy，作为多芯片模块的基板使用，热导率为420W／mK，25℃～200℃时的热膨胀系数为（5．48～6．5）×10-6/K，与GaAs的热膨胀系数相匹配，但制备工艺比较复杂、成本也很高。2002年，日本住友电工（SEI）就制备出金刚石／铜复合材料，奥地利的Plansee公司研制出热导率在450W/m·K～650W/m·K的金刚石/铜复合材料，最大尺寸可以达到200mm，最大厚度6.0mm，已在微波器件、热沉等领域得到应用。
发明内容
本实用新型提出的是一种金刚石铜热沉材料，其目的旨在解决金刚石铜材的气密性和镀覆困难的问题，同时材料的热膨胀系数也能够与陶瓷和芯片相匹配。
本实用新型的技术方案：金刚石铜双面覆铜热沉材料，其结构是由金刚石铜芯材L1和双面无氧铜片复合构成的三明治结构，其中金刚石铜L1的表面是金刚石铜芯材表面镀镍层L2，金刚石铜芯材表面镀镍层L2的表面是无氧铜片底面的银铜焊料L4，无氧铜片底面的银铜焊料L4的表面是上表面无氧铜L6，金刚石铜L1的底面是金刚石铜芯材底面镀镍层L3，金刚石铜芯材底面镀镍层L3的底面是无氧铜片表面银铜焊料L5，无氧铜片表面银铜焊料L5的底面是底面无氧铜L7。
所述的金刚石铜芯材料中金刚石的质量百分比为40%～60%。
所述的金刚石铜芯材料的厚度为0.4mm～0.8mm,无氧铜片的厚度为0.1mm～0.3mm。
所述的金刚石铜芯材料的表面镀镍层的厚度为1μｍ～3μｍ，退火峰值的温度为780℃～850℃。
本实用新型的优点：将上金刚石铜双面覆铜热沉材料用于固态微波大功率器件可实现优良的散热和高可靠性，与传统钨铜材料相比，亦可起到减重的作用。材料热导率大于500W/m·K，同时CTE维持在6～8ppm/K；并且通过双面覆铜，可使材料的气密性不大于1×10-9Pa·m3/s，表面更容易电镀镍金。
附图说明：
附图1是金刚石铜双面覆铜热沉材料的结构示意图。
图中的L1是金刚石铜芯材，L2是金刚石铜芯材的表面的镀镍层，L3是金刚石铜芯材底面的镀镍层，L4是无氧铜片底底面的银铜焊料，L5是与无氧铜片表面的银铜焊料，L6为上表面的无氧铜，L7为下表面的无氧铜片。
具体实施方式
对照附图，金刚石铜双面覆铜热沉材料，其结构是由金刚石铜芯材L1和双面无氧铜片复合构成的三明治结构，其中金刚石铜L1的表面是金刚石铜芯材表面镀镍层L2，金刚石铜芯材表面镀镍层L2的表面是无氧铜片底面的银铜焊料L4，无氧铜片底面的银铜焊料L4的表面是上表面无氧铜L6，金刚石铜L1的底面是金刚石铜芯材底面镀镍层L3，金刚石铜芯材底面镀镍层L3的底面是无氧铜片表面银铜焊料L5，无氧铜片表面银铜焊料L5的底面是底面无氧铜L7。
所述的金刚石铜芯材料中金刚石的质量百分比为40%～60%。
所述的金刚石铜芯材料的厚度为0.4mm～0.8mm,无氧铜片的厚度为0.1mm～0.3mm。
所述的金刚石铜芯材料的表面镀镍层的厚度为1μｍ～3μｍ，退火峰值的温度为780℃～850℃。
实施例1
以Freescale公司的NI780-4封装外壳为例，其热沉材料可用本发明公布的制造方法制作。
第一步，采用放电等离子烧结法制备金刚石铜复合材料坯料；第二步，按照零件图，将金刚石铜复合材料坯料机械加工成34.04mm×9.78mm×0.6mm的金刚石铜芯材;第三步，在金刚石铜芯材表面镀镍1μｍ～3μｍ,然后经过峰值温度为780℃～850℃的高温退火，保证材料表面金属化层连续致密，不起皮，不起泡；第四步，采用化学刻蚀方法制备两片34.04mm×9.78mm×0.2mm厚度的无氧铜片；第五步，使用银铜焊料将第四步制备的两片无氧铜片钎焊在第三步镀好镍的金刚石铜芯材上下两面；第六步，按照零件图，将第五步制作出的热沉半成品在铣床上去除材料，加工至厚度1mm。
实施例1制备的热沉材料经与氧化铝陶瓷框、引线等其他外壳零件焊接可制作出固态微波大功率器件封装外壳，用于封装200WGaN微波功率管。
实施例2
根据耐驰公司LFA447热分析仪所需的材料热导率测试标样要求，可以采用本发明公布的制造方法制作材料热导率测试标样。
第一步，采用放电等离子烧结法制备金刚石铜复合材料坯料；第二步，按照零件图，将金刚石铜复合材料坯料机加工成Φ12.65mm×0.6mm的金刚石铜芯材;第三步，在金刚石铜芯材表面镀镍1μｍ～3μｍ,然后经过峰值温度为780℃～850℃的高温退火，保证材料表面金属化层连续致密，不起皮，不起泡；第四步，采用化学刻蚀方法制备两片Φ12.65mm×0.2mm厚度的无氧铜片；第五步，使用银铜焊料将第四步制备的两片无氧铜片钎焊在第三步镀好镍的金刚石铜芯材上下两面；第六步，将第五步制作出的热沉半成品在铣床上进行去除材料加工至厚度1mm。
实施例2制备的热沉材料，可以直接在耐驰公司LFA447热分析仪上进行热导率测试。
使用金刚石铜材料作为芯材，通过对其采用双面覆铜技术，使材料热导率大于500W/m·K，同时CTE维持在6～8ppm/K；并且通过双面覆铜，可使材料的气密性不大于1×10-9Pa·m3/s，表面更容易电镀镍金。
Claims (3)
1.金刚石铜双面覆铜热沉材料，其特征是由金刚石铜芯材和双面无氧铜片复合构成的三明治结构，其中金刚石铜的表面是金刚石铜芯材表面镀镍层，金刚石铜芯材表面镀镍层的表面是无氧铜片底面的银铜焊料，无氧铜片底面的银铜焊料的表面是上表面无氧铜，金刚石铜的底面是金刚石铜芯材底面镀镍层，金刚石铜芯材底面镀镍层的底面是无氧铜片表面银铜焊料，无氧铜片表面银铜焊料的底面是底面无氧铜。
2.根据权利要求1所述的金刚石铜双面覆铜热沉材料，其特征在于：所述的金刚石铜芯材的厚度为0.4mm～0.8mm,无氧铜片的厚度为0.1mm～0.3mm。
3.根据权利要求1所述的金刚石铜双面覆铜热沉材料，其特征在于：所述的金刚石铜芯材的表面镀镍层的厚度为1μｍ～3μｍ，退火峰值的温度为780℃～850℃。
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