CN105202956A - 钼铜或钨铜合金等热沉材料为基板的复合均热板制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钼铜或钨铜合金热沉材料作为均热板的底板，实现热沉材料和无氧铜的复合结构均热板制造方法。该均热板的吸液芯为铜粉烧结或泡沫铜结构，将经模压铜粉或泡沫铜高温还原处理，烧结在纯铜上盖板和薄的钼铜或钨铜合金底板上，采用细铜柱或泡沫铜柱作为支撑柱，将无氧铜盖板和钼铜或钨铜合金底板采用铜银合金焊接，制备所需均热板的方法。高导热低膨胀的热沉材料钼铜或钨铜合金为底板与无氧铜板的复合结构均热板板制造，其中钼铜或钨铜合金面可直接与晶闸管、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件芯片紧密接触，保证受热时芯片与接触的热沉材料热膨胀系数相匹配，实现热沉材料和均热板一体化设计，大大降低了热阻，满足快速均温和高效散热要求。

Description

钼铜或钨铜合金等热沉材料为基板的复合均热板制造方法

技术领域

本发明涉及一种均热板的制造，该均热板的设计将热沉材料与常规均热板的结构设计实现一体化，将所需的散热源如芯片可直接集成在均热板的热沉材料面上，大大减少了原有的均热板和热沉材料集成所产生的热阻和所需的厚度空间要求，可达到快速导热和散热的目的，并提高可靠性。

背景技术

热管理是现代装备发展的一个非常重要的环节，因为对半导体电子装备的运行温度有效的热控制，可以确保其工作的稳定性和可靠性。实现热管理的器件和方法较多，其中均热板是一种适合大功率应用的主要电子热管理器件。

作为半导体电子器件的均热板(VaporChamber)通常是一个内壁具有微观毛细结构的高真空腔体，其结构是由上盖板、下底板、毛细吸液芯和铜柱构成。作为吸液芯的毛细结构材料和上盖板下底板之间经高温烧结连接在一起，上盖板和下底板之间经扩散焊接或铜银钎焊焊接而成，再将腔体通过对连接毛细铜管通过抽真空、注液和封装焊接等工序制得。应用时，当热由半导体的芯片热源传导至均热板下底板的蒸发区时，腔体里面的液相介质会在高真空度的环境中，开始发生液相气化，吸收热能并且体积迅速膨胀，并快速充满整个蒸汽腔，气相的介质快速通过蒸汽腔，传导到一个较冷的区域时便发生凝结现象，借由气-液转变释放出介质的相变潜热，凝结后的液相介质会借由内壁上微结构的毛细现象再快速回流到热源的蒸发端，此过程将在腔体内快速地进行循环，这就是均热板的工作过程。由于蒸发端吸液芯的微结构具有很强的毛细力，介质吸附在毛细的吸液芯上，所以均热板的工作是不受重力影响，其具有反重力特性即应用过程的无方向性。均热板具有扩展热阻低、均匀的热通量、热量快速扩散、重量轻和无噪音等优点，正在得到重视和不断开发之中。

通常情况下，半导体芯片特别是如晶闸管、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件的芯片因为对温度变化产生的热应力非常敏感，通常需将其设计贴附在热沉材料上，该热沉材料需要具有良好的导热性能和低的热膨胀系数。当热沉材料的热膨胀系数和相应的芯片材料的热膨胀系数相近时，芯片随使用过程和环境温度变化时产生的热应力就小，确保其安全工作。然后再将热沉材料通过焊接或导热胶连接在均热板及其相应的散热模组上，实现芯片等热源所需的快速高效的导热和散热目的。

但是，通常的芯片等热源与均热板的连接过程是通过热沉材料再和均热板散热模组结合，如图1所示，这样就至少增加了两层热阻，一是热沉材料本身的热阻，二是热沉材料与均热板连接的焊接层或导热胶的热阻。热阻是影响芯片散热和工作稳定性的一个至关重要的参数。此外增加了连接层，也造成了结构变化、几何尺寸和重量的增大，相对降低了器件的可靠性。因为多一层连接，就多一次可能接触失效的可能性。针对这一问题，为了提高散热效果，减少热阻和确保芯片和散热模组结合的可靠性，提出了本发明。

发明内容

本发明是鉴于芯片等热源导热和散热过程所需进一步减少热阻的要求，提升芯片等热源集成过程的可靠性，提出将热沉材料如钼铜合金或钨铜合金直接设计成均热板的下底板，从而将常规的集成结构：芯片+结合层+热沉材料+结合层+均热板散热模组，大大改进并简化，形成精简的集成结构：芯片+结合层+均热板散热模组。该均热板实现了热沉和均热的效果。所以该发明大大降低了原多层结构集成所产生的热阻，并节省所需的厚度空间，实现了轻、薄和快速导热和散热的目的。

该发明提出了将热沉材料如钼铜或钨铜合金作为均热板的下底板，与无氧纯铜上盖板的形成复合结构均热板的制造方法。也就是均热板的下底板根据设计要求，采用钼铜合金或钨铜合金。因为钼铜合金和钨铜合金具有很好的物理性能，如高的热导性能、耐热性能及低的热膨胀系数等，也具有良好的力学性能如高弹性模量，可满足大功率的集成电路和微波器件的热沉应用。用该热沉板材作为均热板的一个面，这样就可实现热沉材料和均热板的一体化，保证半导体芯片随温度变化的热应力的影响不大，大大降低芯片与所需散热整个模组集成的热阻，提高芯片的工作稳定性和可靠性，有效解决高发热量电子元件的散热问题。

附图说明

图1常规芯片和热沉材料及均热板模组结合的结构示意图

图2芯片与复合结构均热板（热沉材料和均热板一体化）的结构示意图

图350*50*3.2mm的方形复合结构均热板内部设计及结构示意图

图4直径为100，厚度为2.6mm圆形的复合结构均热板内部设计、支撑柱模板与结构示意图

具体实例

例一，尺寸为50*50*3.2mm的方形结构钼铜复合均热板的制造

制备尺寸为50*50*3.2mm的方形结构兼具热沉材料和均热板为一体的以钼铜合金为底板的超薄均热板，具体步骤如下：

（1）均热板的设计和部件材料的准备：底板采用钼铜合金板，尺寸为50*50mm，厚度为0.6mm；上盖板为纯铜板，厚度为0.8mm，经冲压形变，形变深度为1.8mm,外形尺寸为50*50mm；上下板的烧结铜粉的厚度设定为0.5mm，铜粉粒度为雾化铜粉，粒度为180目；支撑柱采用直径f2mm的铜柱。

（2）均热板的制作，如图3所示：

(i)清洗和组合：将冲压加工后的上盖板无氧铜板材和下底板钼铜合金板经清洗、干燥后，置入所需厚度的铜粉，并进行高温还原烧结处理;

（ii）焊料的涂覆和布置：将上述准备好的上盖板和下底板按照均热板组合，在其四周边缘焊接区域内，均匀涂覆铜银钎料（包括预留的用于抽真空注液的毛细纯铜管），确保焊接的效果和质量；

（iii）高温烧结与焊接：将上述组合置于石墨模具内，该石墨模具是用来确保制备的均热板平整，在后续900℃高温氢还原气氛下烧结和焊接中采用外加重力，保温时间为60分钟，实现均热板组合件之间的良好烧结结合和焊接效果；

(3)检漏测试：焊接后需要对四周焊接质量进行检漏测试，确保四周焊接良好；

(4)抽真空、注液、封装和二次除气及焊接封口：检漏后，将均热板的毛细管固定在抽真空、注液和封装的夹具上，进行抽真空、注液和封装；真空度为10-30Pa，将封装后的均热板进行适当加热，达到二次除气的目的，然后对封装口进行焊接封合，确保焊接封口的质量；

（5）老化及热性能测试：复合均热板老化测试温度定为200℃，经6小时在200℃保温完成老化测试；经老化测试后，进行均热板的热性能测定，主要测试Qmax、温差和热阻，测定后完成整个均热板的制造；

（6）防腐处理：复合均热板进行电镀镍的表面防腐处理。

例二，直径为f100mm，厚度为2.6mm钼铜复合均热板的制造

制备圆形结构直径为f100*2.6mm的兼具热沉材料和均热板为一体的钼铜为底板的均热板，结构如图4所示，具体步骤如下：

（1）均热板的设计和部件材料的准备：底板钼铜合金板的大小为直径f100mm，厚度为0.6mm；上盖板为无氧纯铜，为0.6mm，大小经冲压形变，形变深度为1.4mm,形变后的尺寸为直径f100mm；泡沫铜采用江苏格业新材料科技有限公司的分级构造泡沫铜，厚度为0.2mm,孔隙率为80%；支撑柱同样采用江苏格业新材料科技有限公司的分级构造泡沫铜，厚度为1.0mm，孔隙率为80%。

（2）复合均热板的制作：

（i）清洗和组合：将冲压加工后的满足尺寸要求的无氧铜上盖板和下底板钼铜合金板经清洗和干燥；

（ii）吸液芯和支撑柱的准备：吸液芯采用超薄泡沫铜，厚度为0.2毫米，孔隙率为80%，根据设计，经冲切加工成所需尺寸的泡沫铜模板结构；支撑柱采用厚度为1mm的泡沫铜，经冲切加工成直径为f3.5mm的支撑柱，并根据模板布局，支撑柱之间的中心间距为13mm。

(iii)将冲切后的超薄泡沫铜布置在上盖板和下底板上，并根据支撑柱的布置模板，在下底板上布置泡沫铜及其支撑柱，然后进行高温还原处理，确保泡沫铜和支撑柱有效烧结在上盖板和下底板上。

（4）铜银钎料焊接：在上述烧结好后的上盖板和下底板的圆形边沿周围（包括预留的用于抽真空注液的毛细纯铜管）均匀涂覆铜银钎料，确保焊接的效果和质量；将上述准备好的均热板组合件置于圆形状的石墨模具内，该石墨模具是用来确保制备的均热板平整，在后续900℃高温氨分解制得的氢氮混合的还原气氛下烧结和焊接，并采用外加重力，保温时间为60分钟，实现均热板组合件之间的良好结合和上盖板与下底板之间良好的焊接效果；

(5)检漏测试：焊接后需要对四周焊接质量进行检漏测试，确保四周焊接良好；

(6)抽真空、注液、封装和二次除气及焊接封口：检漏后，将均热板的毛细管固定在抽真空、注液和封装的夹具上，进行抽真空、注液和封装；真空度为10-30Pa，将封装后的均热板进行适当加热，达到二次除气的目的，然后对封装口进行氩弧焊接实现良好的封合，确保焊接封口的质量；

（7）老化及热性能测试：超薄均热板老化测试温度定为200℃，经6小时在200℃保温完成老化测试；经老化测试后，进行均热板的热性能测定，主要测试Qmax、温差和热阻，测定后完成整个均热板的制造；

（8）防腐处理：超薄均热板进行电镀镍的表面防腐处理。

具体实施方式

常规的芯片与热沉材料和散热模组的集成结构如图1所示，本发明将实现热沉材料与均热板的一体化，所以设计后的芯片与复合结构均热板的结构如图2所示。一种由钼铜或钨铜合金等热沉材料为下底板板与无氧纯铜的复合均热板制造方法，是通过结构设计、高温还原烧结、铜银或银钎料的焊接与注液封装，采用与常规均热板相近的制造方法，实现热沉材料和常规均热板合为一体的复合结构均热板。其实施方法和具体步骤如下：

（1）均热板的设计：通常均热板是根据芯片尺寸等具体要求进行设计的。因此根据芯片的尺寸大小和散热功率要求，给出均热板的结构和大小；

（2）均热板部件材料的准备：根据均热板的结构和大小，准备相应的均热板制造的各部件：钼铜或钨铜合金板材、无氧铜（纯铜）板材；

（3）均热板部件结构的准备：将上盖板无氧铜板材根据均热板的结构，进行适当的冲压加工，其形变量略低于超薄泡沫铜的厚度；

（4）清洗：将加工后的上盖板无氧铜板材和下底板钼铜或钨铜合金板经清洗、干燥后备用；

（5）均热板吸液芯的准备：作为吸液芯的烧结铜粉或分级构造的泡沫铜将根据均热板设计要求，经高温还原烧结（铜粉）或模具冲切加工成形（泡沫铜），并烧结在相应的上盖板或下底板上。

（6）组合：根据均热板的设计要求，将下底板钼铜或钨铜合金板、泡沫铜模板、无氧铜上盖板组合后，在其边沿四周（包括预留的用于抽真空注液的毛细纯铜管）均均匀涂覆铜银钎料，确保后续高温焊接的质量；

（7）置于石墨模具：将上述准备好的均热板组合件置于石墨模具内，该石墨模具是用来确保制备的均热板平整，可以在后续高温烧结和铜银或银的焊接中采用重力或外力，实现均热板组合件之间的良好结合和焊接效果；

（8）高温烧结与焊接：在高温真空或氢还原气氛下进行上盖板和下底板之间的高温烧结与上盖板与下底板周边的铜银焊接，其中加热温度为780-810℃，保温时间为10分至60分钟；

(9)检漏测试：焊接后需要进行检漏测试，确保均热板四周焊接质量；

(10)抽真空、注液封装：检漏后，将均热板的毛细管固定在抽真空、注液和封装的夹具上，进行抽真空、注液和封装；

（11）二次除气和焊接封口：将上述封装后的均热板进行二次除气，然后进行焊接封口，确保焊接封口的质量；

（12）老化测试：根据均热板吸液芯的情况，确定老化测试温度和时间，通常温度设定为180℃或200℃，经数小时至24小时的老化测试；

（13）热性能测试：经老化测试后，进行均热板的热性能测定，主要是Qmax、温差和热阻的测定，测定后完成整个均热板的制造。

（14）防腐处理：通常均热板还需要进行电镀镍或铬等的表面防腐处理。

Claims (5)

1.本发明公开了一种复合结构均热板的制造方法，其特征在于：

下底板采用钼铜或钨铜合金热沉材料；

上盖板采用根据设计要求经冲压成型的无氧纯铜；

吸液芯采用铜粉或泡沫铜烧结结构、支撑柱采用铜柱或泡沫铜柱；

以铜-银或银焊料对下底板和上盖板进行焊接；

检漏后，进行抽真空、注液和封装及二次除气，并进行热性能测试。

2.如权利要求1所述的复合结构均热板的制造方法，其特征在于下底板采用厚度在0.1毫米至1.2毫米的钼铜合金或钨铜合金，钼铜或钨铜合金的成分根据具体设计要求选取。

3.如权利要求1所述的复合结构均热板的制造方法，其特征在于均热板内部吸液芯采用铜粉或泡沫铜烧结结合的毛细结构，支撑柱可采用铜柱或泡沫铜柱。

4.如权利要求3所述的复合结构均热板，其特征在于其内部吸液芯和支撑柱为泡沫铜结构，该泡沫铜的结构为分级构造的泡沫铜，其孔隙率可在选取40-90%。

5.如权利要求1所述的复合结构均热板制造方法，其特征在于钼铜或钨铜合金等热沉材料下底板与冲压成型的无氧纯铜上盖板之间采用铜-银或银焊料进行焊接，具体焊接温度根据焊料的种类确定，通常选择温度为750-810℃，保温时间根据结构大小确定为10分钟至60分钟之间。