專利名稱：高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鎢銅復合材料領域，涉及一種鎢銅熱沉和電子封裝材料，尤其具有高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料及其制備方法。
背景技術：
鎢銅復合材料是由鎢和銅所組成的兩相均勻分布的既不固溶又不形成化合物的一類復合材料，具有銅的高導電、導熱性能和鎢的高熔點、低熱膨脹系數(shù)的特點，是理想的熱沉和封裝材料。
隨著開關電器向高壓、高容量的方向發(fā)展，以及電子器件不斷向小型化、大功率、高可靠性和低成本發(fā)展，半導體功率器件集成度增加而導致高發(fā)熱率，迫切要求上述廣泛使用的鎢銅熱沉和封裝材料的導熱性盡可能提高，且要求鎢銅符合材料致密性高、含氣量低。然而，傳統(tǒng)的均質鎢銅復合材料很難同時滿足高熱導率與保持低熱膨脹系數(shù)的要求。為了提高鎢銅復合材料的熱導率，CN1470348A公開一種鎢銅梯度熱沉材料，其具有含銅量高的散熱層、含鎢量高的封接層以及位于散熱層和封接層之間的過渡層。又，CN102051498A公開一種鎢銅合金熱沉材料，其在現(xiàn)有的鎢銅合金面上開設眾多Z向通孔，通過在各通孔中鉚入延伸至上下平面的銅芯柱，從而通過增加的銅芯柱來提高復合材料的熱導性。然而上述對比文件公開的復合材料結構都較為復雜，而且制備工藝也相對復雜。因此，需要尋找一種制備方法簡單方便、成本較低，且具有高熱導率的鎢銅熱沉和封裝材料。由于鎢、銅的熔點相差很大，且鎢銅不互溶，鎢銅熱沉和封裝材料一般采用粉末冶金的方法制備，主要包括熔滲法和直接燒結法。熔滲法是將鎢粉或添加混合有少量誘導銅粉的鎢粉制成壓坯，然后在還原氣氛或真空中，在900°C _950°C條件下預燒結，獲得一定強度的多孔鎢骨架。將塊狀銅金屬或壓制好的銅坯放置到多孔鎢骨架上面或下面，在高于銅熔點以上的溫度進行燒結。或將多孔鎢骨架全部浸沒到熔點較低的銅熔液中(熔浸法)。直接燒結法則是將所需成分的鎢和銅的混合粉壓制成型后直接燒結制得產品。熔滲(浸)法制備的鎢銅合金中總存在少量的封閉孔隙不能被熔滲金屬填充。直接燒結法一次燒結亦較難獲得高致密化的鎢銅復合材料，殘余孔隙的存在會顯著降低其導電導熱性。因此，兩種制備方法均需要采用二次加工技術，包括復壓復燒、熱等靜壓、錘鍛、冷熱軋等，來進一步提高鎢銅合金的致密度(陶應啟，王祖平，方寧象，等.鎢銅復合材料的制造工藝，粉末冶金技術，20 (2002) 49-51)。這使得鎢銅合金的制備工藝復雜化，生產周期延長，成本增加。等離子體噴涂技術具有可制備厚涂層(大于0.5mm)及塊體材料、適合大面積制造、經濟性良好等優(yōu)點。同時制備的涂層還具有結構致密、厚度可控、氣孔率較低等特點，在國防、航空、工業(yè)、醫(yī)學等領域等眾多領域得到了廣泛的應用。最近研究表明，采用真空等離子體嗔涂技術，通過工藝參數(shù)的控制，其可在銅合金基體上嗔涂制備鶴層，其中，可在嗔涂鎢層之前，噴涂梯度的鎢銅層，制備得到由銅基體、梯度鎢銅層和表面鎢層構成的復合材料(Yaran Niuj Xuebin Zheng, Heng Jij et al.Microstructure and thermal propertyof tungsten coatings prepared by vacuum plasma spraying technology, FusionEngineering and Design, 85 (2010) 1521-1526.Yaran Niu, Deyang Hu, Heng Ji, etal.Effect of bond coatings on properties of vacuum plasma sprayed tungstencoatings on copper alloy substrate, Fusion Engineering and Design 86 (2011)307-311.)。

發(fā)明內容
面對現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明人經過銳意的研究，發(fā)現(xiàn)具有一定比例的鎢銅復合涂層與銅或銅合金基體具有較強的結合力，這樣通過等離子體噴涂技術將一定比例的鎢銅復合原料噴涂于銅或銅合金基體上可在基體上很好地獲得大面積的鎢銅復合涂層。因此，本發(fā)明人在此提供一種高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料，其特征在于，所述鎢銅熱沉和電子封裝材料由銅或銅合金基體以及通過真空等離子體噴涂工藝形成在所述銅或銅合金基體上的鎢銅復合涂層組成，其中，所述鎢銅熱沉和電子封裝材料的室溫導熱系數(shù)為300W/(m*K)以上，所述鎢銅復合涂層的氣孔率小于3%，所述鎢銅復合涂層的厚度為100 2000 μ m,而且在所述鶴銅復合涂層中的銅的重量百分比含量為10 40%。本發(fā)明提供的鎢銅熱沉和電子封裝材料，由銅或銅合金基體以及通過真空等離子體噴涂工藝在所述銅或銅合金基體上形成的鎢銅復合涂層組成，結構簡單，而且充分利用了表面鎢銅復合涂層的低膨脹系數(shù)和基體的高導熱系數(shù)，得到一種新穎的具有高熱導率的鎢銅復合材料。而且所述鎢銅復合涂層中的銅的重量百分比含量為10 40%，優(yōu)選15 30%，其與銅基體的結合力高，例如，所述鎢銅復合涂層與所述銅或銅合金基體的平均結合強度高于30MPa。本發(fā)明材料中的復合涂層的涂層厚度可為100 2000 μ m，優(yōu)選100 600 μ m0另一方面，本發(fā)明還提供一種制備上述鎢銅熱沉和電子封裝材料的方法，以鎢粉和銅粉混合粉末為噴涂原料，以銅或銅合金為基體，對所述基體進行表面噴砂處理后，采用真空等離子體噴涂工藝在所述表面制備鎢銅復合涂層。采用本發(fā)明方法制備的鎢銅熱沉和電子封裝材料結構均勻致密，特別是具有高的熱導率。同時本發(fā)明具有原材料利用率高、加工余量小、生產效率高、生產成本得到顯著降低等特點。而且，通過噴砂處理步驟將銅或銅合金基材表面進行處理，使其原本光滑的表面具有微細凹凸不平的表面結構，提高比表面積，增加鎢銅粉末噴涂時的結合面積及結合力，提高結合強度。通過對等離子體工藝參數(shù)控制，及銅粉及鎢粉原料的粒徑、純度控制，使鎢銅復合涂層結構均勻，致密，氣孔率小于3%，并具有高導熱導電性能及比較低的熱膨脹系數(shù)。其中，所述噴砂處理的噴砂壓強可為I 5Mpa。通過控制噴砂壓強，可有效控制基材表面處理程度，為后續(xù)得到高的結合強度的鎢銅復合涂層奠定基礎。

在本發(fā)明中，所述等離子體噴涂工藝參數(shù)優(yōu)選為:等離子體氣體Ar:30 50slpm ;等離子體氣體H2:8 15 slpm ;噴涂功率:30 48KW ;噴涂壓力:1 8MPa ;粉末載氣Ar:2 5 slpm ;噴涂距離:120 350mm ;送粉速率:8 30 g.mirf1。在本發(fā)明中，一個優(yōu)選的示例為，所述噴砂處理后進行清洗處理，再進行所述真空等離子體噴涂工藝。所述清洗處理可利用乙醇超聲清洗，清洗次數(shù)至少一次，每次5 10分鐘。通過清洗烘干，可有效去除噴砂處理后基材表面殘留的雜質。在本發(fā)明中，在所述鶴粉和銅粉混合粉末中，鶴粉原料粒徑、泡圍可為10 80 μ m，純度優(yōu)選大于99wt% ;銅粉原料粒徑范圍可為20 100 μ m,純度優(yōu)選大于99wt%。可將所述鎢粉和銅粉通過球磨機械混合2 12小時得到所述噴涂復合鎢銅原料。本發(fā)明合成工藝簡單易行、產量高、成本低、效率高、易工業(yè)化生產；制得的鎢銅熱沉和電子封裝材料結構均勻致密，并具有高的熱導率。


圖1示出本發(fā)明的鎢銅熱沉和電子封裝材料結構示意 圖2示出含30wt%銅和70wt%鎢的鎢銅復合涂層截面形貌；
圖3示出由含30wt%銅和70wt%鎢的鎢銅復合涂層和銅基體組成的鎢銅熱沉和電子封裝材料的導熱系數(shù)；
圖4示出含15wt%銅和85wt%鎢的鎢銅復合涂層截面形貌；
圖5示出由含15wt%銅和85wt%鎢的鎢銅復合涂層和銅基體組成的鎢銅熱沉和電子封裝材料的導熱系數(shù)。
具體實施例方式以下結合附圖 和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，下述實施方式和附圖僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。本發(fā)明為利用銅或銅合金作為基體，銅粉和鎢粉的混合粉末作為噴涂原料，采用真空等離子體噴涂工藝在基體表面上噴涂鎢銅復合涂層，具體工藝方法如下。首先，將銅或銅合金基體進行噴砂處理:將基體清洗干凈后進行噴砂處理，噴砂壓強為I 5MPa ;將經過噴砂處理后的基體在無水乙醇溶液中進行超聲波清洗至少I次以上，每次5 10分鐘，清洗完成后將基體在50 100°C下烘干20 60分鐘，備用。噴涂原料可選擇合適粒徑的銅粉和鎢粉制備，銅粉和鎢粉粒徑太大會影響鎢銅復合涂層的致密性及結合強度。例如，選擇粒徑范圍為20 100 μ m、純度大于99wt%的銅粉和粒徑范圍為10 80 μ m、純度大于99wt%的鎢粉，按照一定質量比進行混合配料，通常采用在球磨機上機械混合2 12小時，制成含銅重量百分比為10 40%的混合粉末。在一個優(yōu)選的示例中，銅的重量百分比可為15 30%。然后，采用真空等離子體噴涂工藝將制備的鎢銅混合粉末噴涂于經過噴砂處理的銅或銅合金基體表面上。采用瑞士 Sulzer Metco公司的真空等離子體噴涂系統(tǒng)在基體表面進行等離子體噴涂工藝。首先將真空度降至IOPa以下，然后充保護氣體Ar至所需壓力，在下表I的真空等離子體噴涂工藝參數(shù)條件下將鎢銅混合粉末噴涂至基體表面形成鎢銅復合涂層。表1:1藝參數(shù)I鎢-銅復合擇『
等離子體氣體Ar，(slpm)_30-50_
等離子體氣體Ha，(slpm)8-15—
噴涂功率，kff30-48
噴涂壓力，MPa11-8—
權利要求
1.一種高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料，其特征在于，所述鎢銅熱沉和電子封裝材料由銅或銅合金基體以及通過真空等離子體噴涂工藝形成在所述銅或銅合金基體上的鎢銅復合涂層組成，其中，所述鎢銅熱沉和電子封裝材料的室溫導熱系數(shù)為300W/(m*K)以上，所述鎢銅復合涂層的氣孔率小于3%，所述鎢銅復合涂層的厚度為100 2000 μ m，而且在所述鎢銅復合涂層中的銅的重量百分比含量為10 40%。
2.根據(jù)權利要求1所述的高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料，所述鎢銅復合涂層與所述銅或銅合金基體的平均結合強度高于30MPa。
3.根據(jù)權利要求1所述的高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料，在所述鎢銅復合涂層中的銅的重量百分比含量為15 30%。
4.根據(jù)權利要求1所述的高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料，所述鎢銅復合涂層的厚度為100 600 μ m。
5.一種根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料的制備方法，其特征在于，包括:以鎢粉和銅粉混合粉末為噴涂原料，以銅或銅合金為基體，對所述基體進行表面 噴砂處理后，采用真空等離子體噴涂工藝在所述表面制備鎢銅復合涂層。
6.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述等離子體噴涂工藝參數(shù)為:等離子體氣體Ar:30 50標準升/分鐘；等尚子體氣體H2:8 15標準升/分鐘；噴涂功率:30 48KW ;噴涂壓力:1 8MPa ;粉末載氣Ar:2 5 slpm ;噴涂距離:120 350_ ;送粉速率:8 30 g.mirf1。
7.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述噴砂處理的噴砂壓強為I 5Mpa。
8.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述噴砂處理后進行清洗處理，再進行所述真空等離子體噴涂工藝。
9.根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述清洗處理利用乙醇超聲清洗，清洗次數(shù)至少一次，每次5 10分鐘。
10.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，在所述鎢粉和銅粉混合粉末中，鎢粉原料粒徑范圍為10 80 μ m,純度大于99wt% ;銅粉原料粒徑范圍為20 100 μ m,純度大于99wt%。
11.根據(jù)權利要求10所述的制備方法，其特征在于，將所述鎢粉和銅粉通過球磨機械混合2 12小時得到所述噴涂原料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高導熱性的鎢銅熱沉和電子封裝材料，所述鎢銅熱沉和電子封裝材料由銅或銅合金基體以及通過真空等離子體噴涂工藝形成在所述銅或銅合金基體上的鎢銅復合涂層組成，其中，所述鎢銅熱沉和電子封裝材料的室溫導熱系數(shù)為300W/(m·K)以上，所述鎢銅復合涂層的氣孔率小于3%，所述鎢銅復合涂層的厚度為100～2000μm，而且在所述鎢銅復合涂層中的銅的重量百分比含量為10～40%。
文檔編號H01L23/29GK103194712SQ20121000436
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權日2012年1月9日
發(fā)明者牛亞然, 鄭學斌, 謝有桃, 黃利平, 季珩 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所