專利名稱：具有高導(dǎo)熱性的受熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為受熱器的部件，該部件由金剛石含量為40～90體積％并且金剛石顆粒平均粒度為5～300μm的復(fù)合材料制成，還涉及制造該受熱器部件的方法。
背景技術(shù)：
受熱器(Wrmesenke)廣泛用于電子元件的生產(chǎn)中。除了受熱器外，半導(dǎo)體元件和機(jī)械穩(wěn)定的包封是電子組合件的必要組成。基材、散熱器或支承板等項(xiàng)也常用于受熱器。半導(dǎo)體元件包含，例如，單晶硅或砷化鎵。它通常用焊接方法作為結(jié)合技術(shù)與受熱器連接。受熱器具有將半導(dǎo)體元件在工作時(shí)產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)出去的功能。產(chǎn)生特別大量熱的半導(dǎo)體元件有，例如，橫向擴(kuò)散的金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)、激光二極管、中央處理單元(CPU)、微處理器單元(MPU)或高頻放大裝置(HFAD)。
受熱器的幾何結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用而定，并且可有很大的變化。簡(jiǎn)單的形式是平板。但是，也使用具有凹穴和階梯的復(fù)雜構(gòu)造。受熱器本身然后與機(jī)械穩(wěn)定的包裝或封裝連接。
和其它材料相比，所使用的半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)是低的，根據(jù)文獻(xiàn)的報(bào)道，硅的熱膨脹系數(shù)為2.1×10-6K-1～4.1×10-6K-1，砷化鎵為5.6×10-6K-1～5.8×10-6K-1。在工業(yè)上沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用的其它半導(dǎo)體材料如Ge，In，Ga，As，P或碳化硅，也具有類似低的膨脹系數(shù)。陶瓷材料復(fù)合物材料或塑料通常用作封裝。陶瓷材料的例子有膨脹系數(shù)為6.5×10-6K-1的Al2O3或膨脹系數(shù)為4.5×10-6K-1的氮化鋁。
如果參與元件的膨脹特性不同，則在組合物體中就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致變形，導(dǎo)致材料的解體或?qū)е略臄嗔?。?yīng)力可在封裝(包裝)物制造的過(guò)程中產(chǎn)生，也可在從焊接溫度冷卻到室溫的階段中產(chǎn)生。但是，溫度波動(dòng)也會(huì)在包裝的工作期間產(chǎn)生，波動(dòng)的范圍可例如為-50℃～200℃，這會(huì)導(dǎo)致包裝中的熱機(jī)械應(yīng)力。這些因素決定了對(duì)用于受熱器的材料的要求。首先，它應(yīng)該具有極高的導(dǎo)熱性，以便保持半導(dǎo)體元件在工作時(shí)的升溫盡可能地低。其次，其熱膨脹系數(shù)必須盡可能地與半導(dǎo)體元件和封裝的熱膨脹系數(shù)匹配。單相金屬材料不能充分符合所要求的性能，因?yàn)榫哂懈邔?dǎo)熱性的材料也具有高熱膨脹系數(shù)。
因此，為了符合所需的性能，使用復(fù)合材料或材料復(fù)合體來(lái)制造基材。
例如，在歐洲專利0100232、美國(guó)專利4950554和美國(guó)專利5493153中所敘述的常規(guī)的鎢-銅和鉬-銅復(fù)合材料或材料復(fù)合物在室溫的導(dǎo)熱性為170～250W/(m.K)，其熱膨脹系數(shù)為6.5×10-6K-1～9.0×10-6K-1，這對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不充分的。
隨著日益增加的對(duì)受熱器導(dǎo)熱性的要求，金剛石的和含金剛石的復(fù)合材料進(jìn)入人們的視線。因此，金剛石的導(dǎo)熱性是1000～2000W/(m.K)，在晶格點(diǎn)中氮和硼原子的含量對(duì)于決定其品質(zhì)具有特別重要的意義。
歐洲專利0521405敘述了一種受熱器，它在面對(duì)半導(dǎo)體芯片的一側(cè)有多晶形的金剛石層。該金剛石層缺少塑性可變形性，即使在從涂覆溫度冷卻的過(guò)程也可導(dǎo)致金剛石層的碎裂。
美國(guó)專利5273790敘述了導(dǎo)熱性為＞1700W/(m.K)的金剛石復(fù)合材料，在這種情況下用來(lái)成形的松散的金剛石顆粒通過(guò)氣相金剛石沉積被轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的成形體。這樣產(chǎn)生的金剛石復(fù)合材料用于大批生產(chǎn)的部件從商業(yè)角度看是太貴了。
WO 99/12866敘述了生產(chǎn)金剛石-碳化硅復(fù)合材料的方法。它通過(guò)用硅或硅合金滲入金剛石骨架來(lái)制造。由于硅的高熔點(diǎn)和由此而來(lái)的高滲透溫度，金剛石被部分轉(zhuǎn)化為碳，或者隨即被轉(zhuǎn)化為碳化硅。由于高脆裂性，該材料的機(jī)械成形是大成問(wèn)題的并且是昂貴的，因此這種復(fù)合材料迄今沒(méi)有用在受熱器中。
美國(guó)專利4902652敘述了制造燒結(jié)的金剛石材料的方法。在該方法中，用物理涂覆方法將元素周期表4a，5a和6a族的過(guò)渡金屬元素、硼和硅沉積在金剛石粉末上。所涂覆的金剛石顆粒隨即通過(guò)固態(tài)燒結(jié)方法彼此結(jié)合。該方法的缺點(diǎn)在于，所形成的產(chǎn)品具有高的孔隙度，而且對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)其熱膨脹系數(shù)太低。
美國(guó)專利5045972敘述了一種復(fù)合材料，其中金剛石顆粒的粒度為1～50μm，還具有包含鋁、鎂、銅、銀或它們的合金的金屬基質(zhì)。其缺點(diǎn)是，這種金屬基質(zhì)與金剛石顆粒的連接是不能令人滿意的，因此，結(jié)果是，其導(dǎo)熱性和機(jī)械整體性不夠充分。
在美國(guó)專利5008737中敘述了使用更細(xì)的金剛石粉末，例如粒度＜3μm的金剛石粉末，也不能改善金剛石/金屬的粘合。
美國(guó)專利5783316敘述了一個(gè)方法，其中金剛石顆粒用W，Zr，Re，Cr或鈦涂覆，所涂覆的顆粒隨后被壓實(shí)，產(chǎn)生的多孔體用例如Cu，Ag或Cu-Ag熔體滲透。用這種方法制造的復(fù)合材料的使用由于其高涂覆成本而受到限制。
歐洲專利0859408敘述了一種用于受熱器的材料，它的基質(zhì)是用金剛石顆粒和金屬碳化物制造的，基質(zhì)的間隙用金屬填滿。作為金屬碳化物，可提及周期表4a-6a族的金屬的碳化物。在歐洲專利0859408中特別強(qiáng)調(diào)了TiC，ZrC和HfC。據(jù)說(shuō)Ag，Cu，Au和Al是特別好的填充劑金屬。其缺點(diǎn)是，金屬碳化物的導(dǎo)熱性低，在TiC，ZrC，HfC，VC，NbC和 TaC的情況下，其范圍在10～65W/(m.K)。還有的缺點(diǎn)是，周期表4a-6a族的金屬在填充劑金屬(例如銀)中有一定的溶解性，結(jié)果，金屬相的導(dǎo)熱性大為降低。
歐洲專利0893310敘述了一種受熱器，其包含金剛石顆粒和具有高導(dǎo)熱性的金屬或金屬合金(金屬為Cu，Ag，Au，Al，Mg，An)以及周期表4a，5a族的金屬和Cr的金屬碳化物，該金屬碳化物覆蓋至少25％的金剛石顆粒的表面。同樣，周期表4a，5a族和Cr的碳化物的導(dǎo)熱性差，以及這些元素在Cu，Ag，Au，Al，Mg，Zn中的高溶解性，和與此有關(guān)的導(dǎo)熱性降低都是缺點(diǎn)。
近年來(lái)，半導(dǎo)體元件的加工速度和集成化程度都有很大提高，這也導(dǎo)致包裝中熱釋放的增加。因此，最佳的熱控制是一個(gè)更加重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)。上述材料的導(dǎo)熱性對(duì)于許多應(yīng)用不再是充分的，或者它們的生產(chǎn)對(duì)于廣泛的使用來(lái)說(shuō)太昂貴。對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化半導(dǎo)體元件，改進(jìn)的、便宜的受熱器的獲得是一個(gè)前提條件。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是為了提供可用作受熱器元件的復(fù)合材料，該材料具有高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)，并結(jié)合能夠廉價(jià)制造的加工性能。該目的通過(guò)權(quán)利要求1所主張的元件而達(dá)到。
本發(fā)明的元件在金剛石顆粒和銀-(Ag-)，金-(Au-)，或鋁-(Al-)富集相之間表現(xiàn)優(yōu)良的粘合，這是由于在它們之間形成的硅-碳化合物的緣故。為了達(dá)到這樣的結(jié)合，該硅-碳化合物的厚度在納米范圍，或覆蓋度＞60％已經(jīng)足夠。為了本發(fā)明的目的，覆蓋度是被硅-碳化合物覆蓋的金剛石顆粒的表面的比例。在這樣的前提下，這相應(yīng)于硅-碳化合物的體積含量＞0.005％。
與金屬碳化物相比，碳化硅具有約250W/(m.K)的極高的導(dǎo)熱性。因?yàn)樵谑覝叵拢?Si)在Ag，Au和Al中的溶解性極低，這些金屬在純態(tài)下的極高導(dǎo)熱性只有輕微的降低。Ag，Au或Al與銅(Cu)或鎳(Ni)的合金同樣具有足夠高的導(dǎo)熱性，不會(huì)被少量溶解的Si降低到不可接受的高程度。
而且，由于極具延性的Ag，Au或Al微結(jié)構(gòu)組分，可以確保充分程度的機(jī)械可成形性。廉價(jià)制造的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，高導(dǎo)熱性的Ag-，Au-，或Al-富集微結(jié)構(gòu)組分可以減少金剛石含量。金剛石、碳化硅和金屬相含量的變化有可能通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)熱性和熱膨脹，制造出符合各種要求的受熱器。
而且，微結(jié)構(gòu)組分只要含量不超過(guò)5體積％，就不會(huì)使性能降低到不可接受的程度?？梢蕴峒暗倪@種類型的組分是游離硅或游離碳。雖然這些微結(jié)構(gòu)組分輕微地提高了導(dǎo)熱性，但它們通過(guò)降低熱膨脹系數(shù)而對(duì)于后者具有有利的作用。此外，就生產(chǎn)過(guò)程而言，有時(shí)要完全避免它們卻會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)睦щy。
碳化硅和Ag-，Au-或Al-富集相的特別有利的含量分別是0.1～7體積％和7～30體積％。實(shí)驗(yàn)表明，金剛石粉可在很廣的粒度譜(spectrum)內(nèi)加工。除天然金剛石外，也可以加工更廉價(jià)的合成金剛石。使用常規(guī)涂覆的金剛石類型，已經(jīng)達(dá)到優(yōu)良的加工結(jié)果。這樣，在各種情況下都可使用最便宜的類型。在對(duì)導(dǎo)熱性要求極高而費(fèi)用不是關(guān)的應(yīng)用情況下，最好使用平均粒度范圍在50～150μm的金剛石碎屑。而且，通過(guò)使用含量在20～30體積％的Ag可以達(dá)到最高的導(dǎo)熱性值。
對(duì)用于電子元件的作為受熱器的部件的使用，它們最好用Ni，Cu，Au或Ag或者這些金屬的合金涂覆，隨后用陶瓷構(gòu)架焊接，例如Al2O3或AlN。
為了制造復(fù)合材料，可以使用多種方法。因此，可以用Ag，Au或Al在高溫和壓力下使SiC-涂覆的金剛石粉末密集化。這在，例如，熱壓機(jī)或熱均衡壓機(jī)中是有效的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)滲透是特別有利的。在此，可制造出除金剛石粉末以外還含有黏合劑的前體或中間體。在熱的作用下大部分熱裂解的黏合劑是特別優(yōu)選的。優(yōu)選的黏合劑含量為1～20重量％。金剛石粉末和黏合劑在常規(guī)的混合器或研磨機(jī)中混合。然后使混合物成形，這可通過(guò)在壓力的幫助下注入模型，例如推壓或金屬粉末注射成型。隨后加熱中間體到高溫，此時(shí)黏合劑已部分熱裂解。然而，黏合劑的熱裂解也可在滲透過(guò)程的加熱中發(fā)生。滲透過(guò)程可在大氣壓或壓力的幫助下進(jìn)行。后者通常稱為擠壓鑄造。作為滲透材料，優(yōu)選使用Si含量＜50重量％的Ag-Si，Au-Si或Al-Si合金的膜。在選擇組成時(shí)，要確保各個(gè)合金的液相線溫度不超過(guò)1200℃，優(yōu)選不超過(guò)1000℃，否則分解的金剛石的比例太高。具有低共熔組成的膜是特別適合于滲透的。除了特別優(yōu)選用于在半導(dǎo)體元件中將熱傳導(dǎo)出去的元件的用途外，本發(fā)明的復(fù)合材料也可用作其它應(yīng)用的受熱器，例如在航天領(lǐng)域或發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通過(guò)以下的制造實(shí)施例加以說(shuō)明實(shí)施例1平均粒度為40～80μm的IIA級(jí)天然金剛石粉末(Micron+SND從Element Six GmbH)與7體積％的環(huán)氧樹(shù)脂基的黏合劑混合。如此制備的前體或中間體用模壓在200MPa的壓力壓成尺寸為35mm×35mm×5mm的板。板的孔隙度約為15體積％。
該板隨后用由Si含量為11原子％的易熔Ag-Si合金構(gòu)成的膜覆蓋，以便進(jìn)行滲透，然后在爐子中在減壓下加熱到860℃的溫度，保溫時(shí)間為15分鐘。在冷卻到室溫(期間在400℃停留約10分鐘)后，用定量金相學(xué)方法測(cè)定所存在的各相的體積含量。
碳化硅的值約為2體積％，大部分碳化硅均勻包封金剛石顆粒。由于該碳化硅殼的厚度低，碳化硅相的修正或變型不能測(cè)定。除了金剛石和碳化硅以外，微結(jié)構(gòu)包含包埋了Si沉淀物的Ag-富集相，這是由共晶反應(yīng)形成的。Ag-富集相的體積比例約為12％，Si的體積比例約為1％。在Ag-富集相用EDX沒(méi)有檢測(cè)到除了Ag以外的構(gòu)成物，因此在可實(shí)行的檢測(cè)極限的基礎(chǔ)上可以假定，Ag的比例大于99原子％。
為了測(cè)定導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)，用激光和侵蝕的手段來(lái)加工該板。測(cè)得在室溫的導(dǎo)熱性平均值為450W/(m.K)。測(cè)得熱膨脹系數(shù)的平均值為8.5×10-6K-1。
實(shí)施例2在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，加工平均粒度為40～80μm的Micron+MDA級(jí)合成金剛石粉末(從Element Six GmbH)。按照實(shí)施例1所述的方法進(jìn)行加工。如此產(chǎn)生的復(fù)合材料的平均導(dǎo)熱性為410W/(m.K)，平均熱膨脹系數(shù)為9.0×10-6K-1。
實(shí)施例3在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，加工平均粒度為40～80μm的Micron+MDA級(jí)合成金剛石粉末(從Element Six GmbH)。按照實(shí)施例1所述的方法制造前體。壓制的前體用易熔的Ag-Si熔體滲透是在約40MPa的氣體壓力在常規(guī)的擠壓鑄造裝置中進(jìn)行的，該裝置的熱成形鋼模已經(jīng)預(yù)熱到150℃。Ag-Si熔體的溫度約為880℃。接著進(jìn)行緩慢冷卻到室溫，期間在400℃停留約15分鐘。如此產(chǎn)生的復(fù)合材料的平均導(dǎo)熱性為480W/(m.K)，平均熱膨脹系數(shù)為8.5×10-6K-1。
實(shí)施例4平均粒度為40～80μm的Micron+MDA級(jí)合成金剛石粉末(從Element Six GmbH)按照實(shí)施例3所述的方法進(jìn)行加工，但從滲透溫度冷卻到室溫的過(guò)程中沒(méi)有在約400℃相停留15分鐘。如此產(chǎn)生的復(fù)合材料的平均導(dǎo)熱性為440W/(m.K)，平均熱膨脹系數(shù)為8.5×10-6K-1。
權(quán)利要求
1.作為受熱器的部件，由含40～90體積％的金剛石、金剛石顆粒的平均粒度為5～300μm的復(fù)合材料制成，其特征在于，所述的復(fù)合材料包含0.005～12體積％的硅-碳化合物，7～49體積％的Ag-，Au-或Al-富集相和低于5體積％的其它相，Ag-，Au-或Al-富集相對(duì)硅-碳化合物的體積比大于4，至少60％的金剛石顆粒表面被硅-碳化合物覆蓋。
2.如權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于，所述的硅-碳化合物是SiC。
3.如權(quán)利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述的Ag-，Au-或Al-富集相包含至少95原子％的所述各元素。
4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，所述的Ag-，Au-或Al-富集相還包含Cu和/或Ni。
5.如權(quán)利要求4所述的部件，其特征在于，所述的含Cu和/或Ni的Ag-，Au-或Al-富集相還包含Si。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，所述的復(fù)合材料含有0.1～4.5體積％的游離硅。
7.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，所述的復(fù)合材料含有0.1～4.5體積％的游離碳。
8.如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，所述的硅-碳化合物主要或完全由硅與金剛石的碳的反應(yīng)形成。
9.如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，金剛石粒度為50～150μm。
10.如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，所述的復(fù)合材料包含0.01～12體積％的碳化硅和7～49體積％的Ag-，Au-或Al-富集相。
11.如權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，所述的復(fù)合材料包含0.01～7體積％的碳化硅和7～49體積％的Ag。
12.如權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，其上涂覆了包含Ni，Cu，Au，Ag或這些金屬的合金的金屬涂料的涂層。
13.如權(quán)利要求1至12任一項(xiàng)所述的部件，其特征在于，在它的上面焊接了陶瓷框架。
14.制造如權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)所述的部件的方法，其特征在于，該方法至少包含如下工藝步驟a)制造一個(gè)中間體，其包含粒度為5～300μm的金剛石顆粒和基于聚合物或蠟的黏合劑，黏合劑的比例為1～20重量％，b)將所述中間體放入模型中在大氣壓下或在壓力的幫助下使該中間體成形，c)通過(guò)在保護(hù)性氣氛下加熱所述的中間體到300～1200℃，至少部分熱裂解所述的黏合劑，制造多孔金剛石體，使這個(gè)步驟能夠被整合到滲透工藝中，d)多孔金剛石體的滲透，其方法是將它和含硅的Ag，Au或Al合金，其中，其硅含量為＜40重量％，一起加熱到各個(gè)含硅的Ag，Au或Al合金的液相線溫度以上的溫度，優(yōu)選在減壓下加熱，使至少一部分硅與熱裂解的黏合劑的碳以及與金剛石反應(yīng)，形成碳化硅。
15.制造如權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)所述的部件的方法，其特征在于，該方法至少包含如下工藝步驟a)制造一個(gè)中間體，其包含粒度為5～300μm的金剛石顆粒和基于聚合物或蠟的黏合劑，黏合劑的比例為1～20重量％；b)將所述中間體放入模型中在大氣壓下或在壓力的幫助下使該中間體成形；c)通過(guò)在保護(hù)性氣氛下加熱所述的中間體到300～1200℃，至少部分熱裂解所述的黏合劑，制造多孔金剛石體，使這個(gè)步驟能夠被整合到加壓滲透工藝中；d)將含硅的Ag，Au或Al合金，其中，其硅含量為＜40重量％，加熱到各個(gè)含硅的Ag，Au或Al合金的液相線溫度以上的溫度，并加壓滲入所述的多孔金剛石體。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，將低共熔Ag-Si合金用于所述滲透步驟。
17.如權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)所述的部件作為半導(dǎo)體元件的受熱器的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由含有金剛石復(fù)合材料制成的受熱器。除了40～90體積％的金剛石含量以外，該復(fù)合材料還包含0.005～12體積％的硅－碳化合物，7～49體積％的Ag－，Au－或Al－富集相和低于5體積％的其它相，Ag－，Au－或Al－富集相對(duì)碳化硅的體積比大于4，至少60％的金剛石表面被硅－碳化合物所覆蓋。優(yōu)選的制造工藝包括大氣壓和壓力幫助的滲透技術(shù)。該部件特別適合作為半導(dǎo)體元件的受熱器。
文檔編號(hào)B22F3/14GK1759078SQ200480006559
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月11日
發(fā)明者阿恩特·呂特克 申請(qǐng)人:奧地利普蘭西股份公司