一種具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岵牧霞捌渲苽浞椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岵牧霞捌渲苽浞椒?，屬于熱管理材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)電子器件的散熱采用的封裝材料銅、可伐合金、鋁、鋁鈹、鎢銅等金屬材料，甚至新一代散熱材料AlS1、金剛石/銅、金剛石/鋁等金屬基復(fù)合材料開始替代原有的封裝材料。此類材料可以廣泛應(yīng)用在需要局部高效散熱的微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導(dǎo)體、散熱片和蓋板。但是仍然存在某個(gè)區(qū)域的熱流密度大，急需將此區(qū)域的熱量快速導(dǎo)出或分散到周邊區(qū)域。
[0003]對于以上問題的應(yīng)對策略是在現(xiàn)有的封裝材料中置入更高導(dǎo)熱的材料，將局部產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，使整體器件的熱梯度降低。在金屬基復(fù)合材料中置入高導(dǎo)熱材料的研究曾有報(bào)道，CPS公司在熱電冷卻器的激光二極管封裝基板中預(yù)埋TPG片，厚度0.38毫米，2005年DS&A LLC在SiC/Al復(fù)合材料嵌入超高導(dǎo)熱的高定向熱解石墨片及金剛石栓的復(fù)合基板，散熱效果有很大提高。由于以上兩家研究單位均采用了液態(tài)壓鑄的工藝，因此在澆注過程液態(tài)金屬直接填充TPG、高定向熱解石墨片或金剛石栓與預(yù)制件的空隙，并通過工藝調(diào)整實(shí)現(xiàn)一定的界面結(jié)合，避免了高導(dǎo)熱與基體材料的空隙產(chǎn)生。而如果在傳統(tǒng)的封裝材料如銅、鋁等金屬封裝材料中置入高導(dǎo)熱材料則擠壓鑄造成本過高，且置入的材料難以定位，因此在此類材料中置入高導(dǎo)熱材料大多通過機(jī)加工出放置高導(dǎo)熱材料的凹槽，置入高導(dǎo)熱材料，加蓋封存，然后整體熱壓焊合。USP5296310就提到了前面說到的制備工藝，但是對界面的改進(jìn)未做任何改進(jìn)，界面處僅為機(jī)械接觸，在冷熱循環(huán)的過程中高導(dǎo)熱材料與密封金屬材料之間滑動接觸。在實(shí)際應(yīng)用的過程中發(fā)現(xiàn)金屬與置入的高導(dǎo)熱材料之間存在的空隙大大影響整體的導(dǎo)熱性能，急需進(jìn)一步改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岬牟牧霞捌渲苽浞椒ā?br>[0005]一種具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧希煞庋b材料和密封在封裝材料中的高導(dǎo)熱碳材料組成，所述的高導(dǎo)熱碳材料上鍍覆金屬層，所述的封裝材料與高導(dǎo)熱碳材料之間由金屬層連接，所述的金屬層與封裝材料之間為冶金結(jié)合。
[0006]所述的高導(dǎo)熱碳材料為HOPG (高定向熱解石墨)、CAPG (壓應(yīng)力熱處理熱解石墨)、APG (退火熱解石墨)、TPG (高導(dǎo)熱石墨)或金剛石膜。
[0007]金屬層選擇與所述封裝材料實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的金屬材料，如金屬層為N1、T1、Cr、Cu、Zr等常用金屬鍍層。
[0008]所述的高導(dǎo)熱碳材料為片狀,厚度為I?2mm ;所述的金屬層的厚度為I?10 μ m。
[0009]所述的封裝材料可選擇已知的封裝材料，包括金屬材料和金屬基復(fù)合材料，如Al、Cu、AlS1、可伐合金、招鈹、鶴銅等。
[0010]上述具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧系闹苽浞椒?，包括如下工藝步驟:
[0011 ] I)在高導(dǎo)熱碳材料上鍍覆金屬層；
[0012]2)將封裝材料加工成可容納高導(dǎo)熱碳材料的凹槽及覆蓋凹槽的蓋板；
[0013]3)在凹槽中放置帶有鍍層的高導(dǎo)熱碳材料，然后放置蓋板；
[0014]4)放入熱壓爐中熱壓，使金屬層與封裝材料之間冶金結(jié)合。
[0015]步驟I)中，所述的鍍覆方法為化學(xué)鍍、真空蒸發(fā)鍍、磁控濺射鍍覆或電鍍等。
[0016]步驟4)中，熱壓的溫度及壓力等工藝參數(shù)取決于封裝材料與金屬層冶金結(jié)合需要的條件。
[0017]本發(fā)明的有益效果:改善原有工藝中存在的高導(dǎo)熱材料與密封金屬材料之間機(jī)械接觸，避免兩者之間的空隙，從而減少因此帶來的熱阻，更大程度的提供材料的散熱性能，并使冷熱循環(huán)過程中由于熱膨脹差異帶來的界面剪切力逐步減小。
[0018]本發(fā)明在現(xiàn)有的封裝材料中密封高導(dǎo)熱材料，并通過對高導(dǎo)熱材料鍍覆金屬層，來改善高導(dǎo)熱材料與封裝材料界面結(jié)合問題。將封裝材料加工凹槽，放置鍍覆有金屬層的高導(dǎo)熱材料，加工封裝材料蓋板，然后三者通過熱壓成一個(gè)具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岵牧?。此類材料可以廣泛應(yīng)用在需要局部高效散熱的于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導(dǎo)體、散熱片和蓋板。
【附圖說明】
[0019]圖1為具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岵牧系臄嗝娼Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岬牟牧现苽浞椒鞒淌疽鈭D。
[0021]主要附圖標(biāo)記說明:
[0022]I高導(dǎo)熱碳材料 2 (金屬層與封裝材料的)結(jié)合層
[0023]3封裝材料
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖1所示，本發(fā)明具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧?，由封裝材料3中密封高導(dǎo)熱碳材料I構(gòu)成，密封材料3與高導(dǎo)熱碳材料I之間由金屬層連接，金屬層與密封材料3為冶金結(jié)合，形成結(jié)合層2。封裝材料3可選擇已知的封裝金屬材料及金屬基復(fù)合材料。高導(dǎo)熱碳材料I選擇帶有金屬鍍層的HOPG、CAPG、APG、TPG或金剛石膜，盡管金剛石膜是各向同性，但是金剛石膜的厚度仍然受限，在本發(fā)明中也作為定向?qū)岵牧系囊环N。金屬鍍層可以選擇N1、T1、Cr、Cu、Zr等常用金屬鍍層。
[0025]如圖2所示，為本發(fā)明的工藝流程:選擇高導(dǎo)熱碳材料，高導(dǎo)熱碳材料鍍覆金屬層；選擇封裝材料，封裝材料加工凹槽及蓋板；凹槽中置入帶鍍層的高導(dǎo)熱碳材料，加蓋板；整體熱壓。
[0026]具體的工藝步驟如下:
[0027]I)、將選用的高導(dǎo)熱材料采用鍍覆金屬層，鍍覆方法可采用化學(xué)鍍、真空蒸發(fā)鍍、磁控濺射鍍覆、電鍍等已知方法；
[0028]2)、將封裝材料3加工成可容納高導(dǎo)熱材料的凹穴，及封裝材料蓋板；
[0029]3)、在凹穴中依次放置帶有鍍層的高導(dǎo)熱材料，放置蓋板；
[0030]4)、將步驟3)所得整體結(jié)構(gòu)放入熱壓爐中熱壓，熱壓的溫度及壓力等工藝參數(shù)取決于密封材料與金屬層冶金結(jié)合需要的條件。
[0031]實(shí)施例1
[0032]按照圖1所示的流程，在Imm厚的HOPG表面真空微蒸發(fā)鍍Ti，Ti層厚度為2微米，封裝材料選擇606 IAl,熱壓溫度670 °C, 9MPa下保壓30min,得到的復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岬牟牧系膞_y軸熱導(dǎo)率為1230W/mK，比碳材料表面未鍍覆金屬層的復(fù)合式結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)率提高300W/mK。
[0033]實(shí)施例2
[0034]按照圖1所示的流程，選用Imm厚金剛石膜，表面真空微蒸發(fā)鍍Cr，Cr層厚度為5微米，封裝材料選擇電解銅，熱壓溫度1070°C,8MPa下保壓30min,得到的復(fù)合式結(jié)構(gòu)材料的熱導(dǎo)率為900W/mK，比金剛石膜表面未鍍覆金屬層的復(fù)合式結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)率提高100W/
mKo
[0035]實(shí)施例3
[0036]按照圖1所示的流程，選用2mm厚高導(dǎo)熱石墨片TPG，表面電鍍Cu，Cu層厚度為5微米，封裝材料選擇電解銅，熱壓溫度1090°C,9MPa下保壓25min,得到的復(fù)合式結(jié)構(gòu)高定向?qū)岵牧系膞_y軸熱導(dǎo)率為1050W/mK，比TPG膜表面未鍍覆金屬層的復(fù)合式結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)率提高150W/mK。
[0037]實(shí)施例4
[0038]按照圖1所示的流程，選用2mm厚高導(dǎo)熱石墨片TPG，表面化學(xué)鍍Ni ,Ni層厚度為4微米，封裝材料選擇AlSi(40%)，熱壓溫度950°C，1MPa下保壓30min，得到的復(fù)合式結(jié)構(gòu)高定向?qū)岵牧系膞_y軸熱導(dǎo)率為1050W/mK，比TPG膜表面未鍍覆金屬層的復(fù)合式結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)率提高170W/mK。
[0039]由此可見，本發(fā)明有效地改善了高導(dǎo)熱材料與封裝材料界面結(jié)合問題，顯著提高了定向?qū)岵牧系臒釋?dǎo)率和材料的散熱性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧希涮卣髟谟?由封裝材料和密封在封裝材料中的高導(dǎo)熱碳材料組成，所述的高導(dǎo)熱碳材料上鍍覆金屬層，所述的封裝材料與高導(dǎo)熱碳材料之間由金屬層連接，所述的金屬層與封裝材料之間為冶金結(jié)合。
2.如權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧?，其特征在?所述的高導(dǎo)熱碳材料為高定向熱解石墨、壓應(yīng)力熱處理熱解石墨、退火熱解石墨、高導(dǎo)熱石墨或金剛石膜。
3.如權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧希涮卣髟谟?所述的金屬層為與所述封裝材料實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的金屬材料。
4.如權(quán)利要求3所述的具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧?，其特征在?所述的金屬層為 N1、T1、Cr、Cu 或 Zr 層。
5.如權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧?，其特征在?所述的高導(dǎo)熱碳材料為片狀，厚度為I?2mm ;所述的金屬層的厚度為I?10 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧?，其特征在?所述的封裝材料為Al、Cu、AlS1、可伐合金、鋁鈹或鎢銅。
7.一種具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧系闹苽浞椒?，包括如下步驟: 1)在高導(dǎo)熱碳材料上鍍覆金屬層； 2)將封裝材料加工成可容納高導(dǎo)熱碳材料的凹槽及覆蓋凹槽的蓋板； 3)在凹槽中放置帶有鍍層的高導(dǎo)熱碳材料，然后放置蓋板； 4 )放入熱壓爐中熱壓，使金屬層與封裝材料之間冶金結(jié)合。
8.如權(quán)利要求7所述的具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的定向?qū)岵牧系闹苽浞椒ǎ涮卣髟谟?所述的鍍覆方法為化學(xué)鍍、真空蒸發(fā)鍍、磁控濺射鍍覆或電鍍。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岵牧霞捌渲苽浞椒?，屬于熱管理材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該材料由封裝材料和密封在封裝材料中的高導(dǎo)熱碳材料組成，高導(dǎo)熱碳材料上鍍覆金屬層，封裝材料與高導(dǎo)熱碳材料之間由金屬層連接，金屬層與封裝材料之間為冶金結(jié)合。將封裝材料加工凹槽，放置鍍覆有金屬層的高導(dǎo)熱材料，加工封裝材料蓋板，然后三者通過熱壓成一個(gè)具有復(fù)合式結(jié)構(gòu)的高定向?qū)岵牧稀１景l(fā)明在現(xiàn)有的封裝材料中密封高導(dǎo)熱材料，并通過對高導(dǎo)熱材料鍍覆金屬層，來改善高導(dǎo)熱材料與封裝材料界面結(jié)合問題。該類材料可以廣泛應(yīng)用在需要局部高效散熱的于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導(dǎo)體、散熱片和蓋板。
【IPC分類】C22C1-10
【公開號】CN104726735
【申請?zhí)枴緾N201310718961
【發(fā)明人】張習(xí)敏, 郭宏, 張永忠, 尹法章, 范葉明, 韓媛媛
【申請人】北京有色金屬研究總院
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2013年12月23日