專利名稱：一種功率器件用熱沉材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于功率器件的構件技術領域，具體的講涉及一種功率器件用 熱沉材料及其制備方法。
背景技術：
電子器件，尤其是大功率器件，工作時構成上述器件的半導體芯片會 產生熱量，為了能夠將熱量及時導出必須使用熱沉或封裝材料。在電子器 件結構上，由于熱沉或封裝材料與半導體芯片連接在一起形成一體結構， 因此，所使用的熱沉或封裝材料不僅具有良好的導熱性能，而且其熱膨脹 系數還必須與半導體芯片相匹配。目前，大功率的電子器件所使用的熱沉或封裝材料為金屬鉬構成，但由金屬鉬構成的熱沉或封裝材料的熱導率只能達到146.5w/m *k;隨著功率 器件的功率不斷增大的要求，必須選用其他的既與半導體芯片的熱膨脹系 數相一致且熱導率大的新材料來代替金屬鉬構成的熱沉或封裝材料。發明內容本發明的目的就是提供一種能夠滿足大功率的電力電子器件和大規模 集成電路所使用的熱沉或封裝材料。為解決上述問題，本發明采用的技術方案為一種功率器件用熱沉材料，由5—20重量份的銅和80—95重量份的鎢 構成。制備上述一種功率器件用熱沉材料的方法，包括下列步驟第一步混料取鎢粉或摻有一定比例銅粉的鎢銅混合粉置入滾筒中，同時加入潤濕劑進行混合；第二步壓制成型將混合均勻的鎢粉或所述的鎢銅混合粉取出置入模具中壓制成型； 第三步燒結將壓制成型的鎢粉或所述的鎢銅混合粉和所需的銅塊疊好，置入還原七分獲真空燒結爐中加溫至1200—150(TC進行燒結熔滲；第四步后處理將燒結熔滲的鎢銅合金取出，切割成所需要的厚度并鍍鎳后即可成為功率器件所使用的熱沉材料；其中一一在所述的壓制成型工序中，其中模具中包括有若干層的混合均勻 的鎢粉或摻有一定比例銅粉的鎢銅混合粉和若干層的銅或銅銀纖維絲層， 二者相間疊加，且兩端層均為混合均勻的鎢粉或摻有一定比例銅粉的媽銅混合粉；——所述的銅或銅銀纖維絲層為編制的網狀結構； ——所述的銅或銅銀纖維絲層為徑向或縱向的單向纖維結構層； ——所述的鎢粉或鎢銅混合粉包含有若干種不同的粒度。 本發明所提供的一種功率器件用熱沉材料及其制備方法與現有技術相 比具有以下優點1、 由于該功率器件用熱沉材料采用由高熔點、高硬度的鴉和高導電、導熱率的銅所構成的假合金而通過溫度為1200—150(TC燒結熔滲形成，其 中金屬鎢的含量在80—95%間，銅的含量在5—20%間，即燒結后，金屬鴇 由于沒有熔化而形成復合材料的骨架，由于含量在80—95%的金屬鴇形成 復合材料的骨架，該骨架具有極小的熱膨脹率，同時調節銅的含量可以達 到調節所構成的熱沉材料的膨脹率，從而可以保證與半導體材料相匹配的 膨脹系數的特點；2、 經過溫度1200—150(TC的燒結熔滲工序，由于金屬銅的熔點為1085 °C，燒結時熔化并充滿整個金屬鎢形成的骨架形成連片結構，因此該結構 的熱沉材料保證了其良好的導熱性能；經檢測由由5—20重量份的銅和80 一95重量份的鎢構成的熱沉材料或封裝材料的熱導率能夠達到220w/m k以上；3、由于在制備功率器件用熱沉材料的工藝過程中，在形成熱沉材料的 坯中的預定方向上埋入了若干層的金屬銅或銀銅纖維層，使得熱沉材料中 的具有導熱特性的金屬銅或銀銅纖維能夠形成連體結構，因此所制備的熱 沉材料具有定向的導熱性能。


圖l:為功率器件用熱沉材料的內部顯微結構示意圖； 圖2:燒結成型后的功率器件用熱沉材料坯塊的結構示意圖； 圖3:具有定向導熱特性的功率器件用熱沉材料的內部顯微結構圖； 圖4:具有雙向導熱特性的功率器件用熱沉材料的坯塊結構圖； 圖5:具有雙向導熱特性的功率器件用熱沉材料的內部顯微結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明所提供的功率器件用熱沉材料及其制備方法的 作進一步的詳細說明。如圖1所示，為本發明所提供的燒結熔滲后鎢銅合金的內部結構圖， 包括由金屬鎳鍍層3包裹的金屬鎢構成的骨架1和滲熔于該骨架中的具有 導熱性能的金屬銅2。該結構的鎢銅合金通過以下工序制備。第"*步 混料取粒度分別為4_6微米的鎢粉20公斤和60公斤以及1.2Kg的硬脂酸 置入球磨筒中攪拌混合，混合時間1小時。 第二步壓制成型取混合鎢粉1.26公斤分成七份和直徑在50—200微米間的銅纖維0.20 公斤分成六層相間置入50毫米X100毫米的模具中壓制成型；壓制壓力按 壓坯厚度20毫米控制，并保壓2 4分鐘。第三步燒結熔滲將壓制成型的鎢坯用0.06公斤厚度為150—200微米的無氧銅皮裹好， 置入燒結爐中經10(TC的溫度預燒20分鐘后，再于140(TC、氫氣保護下燒結熔滲50分鐘；第四步后處理將燒結熔滲的鎢銅合金(如圖2所示)，沿A—A向切割成厚度為2毫 米X20毫米X50毫米的片材，經過精磨或研磨和鍍鎳后，即可成為如示意 圖2所示的外部由鎳層3包裹，金屬銅形成具有導熱性能的連體結構2和金 屬鎢形成的骨架結構1構成的功率器件用W—Cu合金熱沉材料。為了提高金屬銅在金屬物形成的骨架中熔滲得更加均勻，則在鉤粉中 摻入一定量的金屬銅粉；并且為了方便所形成的W—Cu合金熱沉材料密度 的調整，金屬鎢粉采用兩種不同的粒度，如以下實施例2:實施例2第一步混料取粒度分別為3—4微米和6—8微米的鎢粉20公斤和60公斤、粒度 為10—20微米的銅粉2公斤以及1.5Kg的硬脂酸置入球磨筒中攪拌混合， 混合時間1小時。第二步壓制成型取混合均勻的鎢銅粉1.26Kg分成七份，取0.0378公斤的金屬銅，制成 六層規格為50毫米XIOO毫米X200微米的銅皮，將鉤銅粉和銅皮相間置 入50毫米X 100毫米的模具中壓制成型；壓制壓力按壓坯厚度20毫米控制， 并保壓2 4分鐘。第三步燒結熔滲將壓制成型的鎢銅坯置入燒結爐中經15(TC的溫度預燒5分鐘后，再于 140(TC、氫氣保護下燒結熔滲50分鐘； 第四步 后處理將燒結熔滲的鎢銅合金(如圖2所示)，沿A—A向切割成厚度為2毫 米X20毫米X50毫米的片材，經過精磨或研磨和鍍鎳后，即可成為如示意 圖2所示的外部由鎳層3包裹，金屬銅形成具有導熱性能的連體結構2和金 屬鎢形成的骨架結構1構成的功率器件用W~Cu合金熱沉材料。在選擇金屬鎢的粒度時，其粒度越小金屬骨架的密度越大，其導熱作用的金屬銅的熔滲量就越小，相對而言所制備出的W—Cu合金熱沉材料的導 熱性能就會變小，但其熱膨脹系數會越小。 實施例3為了進一步提高功率器件用熱沉材料的導熱性能，如圖3所示，在由七層鎢銅合金層4相間夾有六層銅構成的單向纖維結構層5，該功率器件用 熱沉材料使用時其熱量不僅可以通過由熔滲形成了連體結構2的銅導出， 而且還會沿單向纖維的方向向外導出，因此具有定向的導熱特性，其制備工序為第一步 混料取粒度分別為l一2微米和6—8微米的鉤粉20公斤和60公斤、粒度 為10—20微米的銅粉15公斤以及2.0Kg的硬脂酸置入球磨筒中進行攪拌 混合，混合時間70分種。第二步壓制成型取混合均勻的鉤銅粉L4Kg分7次加入50毫米X 100毫米的模具中， 同時將利用0.07公斤的金屬銅制備成的至直徑150—200微米間的銅纖維， 在鎢銅粉層上鋪設一層銅纖維構成的單向纖維結構層，在單向纖維結構層 上再鋪設第二層鎢銅粉，依次鋪設六層的單向纖維結構層和七層的鎢銅粉， 然后壓制成型；第三步燒結將壓制成型的鎢銅粉坯置入燒結爐中經低溫30(TC預燒結后再在1350 °C、氫氣的保護下燒結70分鐘； 第四步 后處理將燒結熔滲的鎢銅合金坯(如圖4所示)，沿A—A向(金屬銅單向纖 維的垂直向)切割成厚度2毫米X20毫米X50毫米的薄片，經過精加工和 鍍鎳后，即可成為示意圖3所示的外部由鍍層1包裹，由七層鎢銅合金4 和金屬銅纖維絲構成的單向纖維結構層5相間構成的功率器件用W—Cu合 金熱沉材料。在上述實施例中，將單相的銅纖維改為由銅纖維編織的網，制備成的功率器件用W—CU合金熱沉材料，具有兩個方向的導熱特性。即如以下實 施例實施例4第一步混料取粒度分別為4一6微米的鴨粉85公斤、粒度為10—20微米的銅粉10 公斤以及2.0Kg的硬脂酸置入球磨筒中進行攪拌混合，混合時間65分種混 合均勻；第二步壓制成型取混合均勻的鎢銅粉1.4Kg分10次加入50毫米X 100毫米的模具中， 同時將利用0.07公斤的金屬銅制備成的直徑為150—200微米間的銅纖維， 并編織成九片規格為50毫米X 100毫米的網狀結構，在鉤銅粉層上鋪設一 層銅纖維網構成的纖維網結構層，在纖維網結構層上再鋪設第二層鎢銅粉， 依次鋪設九層的纖維網結構層和十層的鎢銅粉，然后壓制成型；第三步燒結將壓制成型的鎢銅粉坯置入燒結爐中，加熱至25(TC恒溫20分鐘，然 后加溫至150(TC在氮氣的保護下無氧燒結90分鐘； 第四步后處理將燒結成型的鎢銅合金取出，沿所鋪設一層金屬銅網構成的纖維網結 構層的垂直向切割成厚度為2毫米X50毫米X100毫米的塊體，經過拋光 加工和鍍鎳后，即可成為如圖5所示的外部由鎳層1包裹，由金屬銅構成 的纖維網結構層6和鎢銅合金層4相間構成的功率器件所使用的熱沉材料。在上述制備工序中，鎢銅粉層的鋪設厚度、鋪設層數及相間鋪設的金 屬銅或銀銅合金構成的纖維網結構層的鋪設厚度、鋪設層數根據所制備的 熱沉材料的需求而定。在該實施例中，金屬銅纖維絲也可以由金屬銅和銀的合金纖維來代替， 其導熱性能更好。在本專利的實施例中，金屬鎢粉和金屬銅粉的粒度一般選擇在微米級， 即選擇在2—20微米間更容易使得熔化的金屬銅更容易充滿金屬鎢構成的骨架形成連片結構，更利于熱傳導。同樣金屬銅或銀銅合金構成的單向纖 維結構層或編織成的網狀結構層的單向纖維的直徑或厚度一般也選擇在10 ——50微米間。在上述制備工藝中，使用潤濕劑的目的是為了使得金屬鎢粉和金屬銅 粉的粘合，有利于向模具中添加操作。因此該潤濕劑只要選擇不含有金屬 離子并且不會與金屬鎢粉和金屬銅發生化學反應的如酒精、甘油以及二者 的混合物粘合劑即可。該有機粘合劑可以在高溫燒結過程中變為氣體揮發 掉，并不殘存在燒結成型鎢銅粉坯中。
權利要求
1. 一種功率器件用熱沉材料，其特征在于由5-20重量份的銅和80-95重量份的鎢構成。
2、 制備權利要求1所述的一種功率器件用熱沉材料的方法，包括下列 步驟第一步混料取鎢粉或摻有一定比例銅粉的鎢銅混合粉置入滾筒中，同時加入潤濕 劑進行混合；第二步壓制成型將混合均勻的所述的鎢粉或鎢銅混合粉取出置入模具中壓制成型； 第三步燒結將壓制成型的鎢粉或所述的鎢銅混合粉和所需的銅塊疊好，置入還原 七分獲真空燒結爐中加溫至1200—1500。C進行燒結熔滲； 第四步后處理將燒結熔滲的鎢銅合金取出，切割成所需要的厚度并鍍鎳后即可成為 功率器件所使用的熱沉材料；
3、 如權利要求2所述的制備功率器件用熱沉材料的方法，其特征在于 在所述的壓制成型工序中，其中模具中包括有若干層的混合均勻的鎢粉或 摻有一定比例銅粉的鎢銅混合粉和若干層的銅或銅銀纖維絲層，二者相間 疊加，且兩端層均為混合均勻的鴇粉或摻有一定比例銅粉的鎢銅混合粉。
4、 如權利要求3所述的制備功率器件用熱沉材料的方法，其特征在于 所述的銅或銅銀纖維絲層為編制的網狀結構。
5、 如權利要求3所述的制備功率器件用熱沉材料的方法，其特征在于所述的銅或銅銀纖維絲層為徑向或縱向的單向纖維結構層。
6、 如權利要求2、 3、 4或5所述的制備功率器件用熱沉材料的方法， 其特征在于所述的鎢粉或鎢銅混合粉包含有若干種不同的粒度。
全文摘要
本發明屬于功率器件的構件技術領域，具體地講公開了一種功率器件用熱沉材料及其制備方法。其主要技術方案為即功率器件用熱沉材料由5-20重量份的銅和80-95重量份的鎢通過混料、壓制成型、燒結和后處理制備而成。由上述工藝制備出的功率器件用熱沉材料具有與半導體材料相匹配的膨脹系數和熱導率高的特點，能夠滿足目前大功率期間的需要；該功率器件用熱沉材料還具有定向的導熱性能。
文檔編號B22F3/12GK101265541SQ20081005495
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月8日 優先權日2008年5月8日
發明者宋希振 申請人:宋希振