[发明专利]一种嵌入式组合热沉及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于散热管理材料领域，特别涉及高功率密度器件、发光二极管及固体激光器等器件上嵌入式组合热沉及其制备方法。

背景技术

随着微电子集成技术和空芯印制板高密度组装技术的飞速进展，半导体集成电路密度越来越大，功率密度越来越高，运行过程中产生大量的热量。器件的工作稳定性和安全可靠性直接取决于如何将元器件产生的焦耳热快速向体系外发散等热控制，其可靠性和寿命随温度升高而指数式下降。散热已经成为现代微电子器件进一步发展的关键问题之一。微电子器件生产中热管理控制的一个有效措施是在器件底部结合一个高热导率的散热体（一级散热体），吸收元器件发出的热量，并将其迅速传递给二级散热体系，再由流动的气体或液体介质（三级散热体系）将热量散发到环境中。目前的散热热沉产品和学者开发研究的大多是一级散热体材料，一级散热体与器件直接接触，不仅要有高的热导率，而且要有和半导体材料向匹配的热膨胀系数，即要求一级散热体材料热膨胀系数在1～9×10^-6/℃范围，以防止器件在服役时因热疲劳而损坏。常见的铜、银、铝等良导体虽然有较高的热导率，但因热膨胀系数太大，无法直接用作一级散热体，只能利用其良好的塑性加工性能，加工成鳞片状的二级散热体，将从一级散热体传输过来的热量由三级散热体（水冷或风冷）散发到环境中。目前一级散热体材料大多是铜、银、铝等与高体积含量的颗粒金刚石复合，一来是降低热膨胀系数，二是提高热导率。该方法的缺点为，含大量颗粒金刚石的复合一级散热体，成型加工性能很差，强度低，作一级散热体需要有一定厚度才能保证强度，但这也使沿厚度方向的热扩散距离增大，虽然热导率较高，热阻却不小，另外，过厚的一级散热体也不利用整个微电子器件的小型化；一级散热体大多以机械接触方式与二级散热体连接，接触热阻大，尽管涂敷导热硅脂能将接触热阻适当降低，但整体散热热阻不能有效减小，散热效果仍然有限。

高效热沉仍是当今学者研究热点，但大多致力于对单一的一级散热体材料提高热导率的研究，工艺复杂，虽热导率提高明显，但一级散热体的抗弯强度及机械加工性能显著变差。单独研究一级散热体或二级散热体不能解决上述综合问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺点和不足，本发明提供一种嵌入式组合热沉。其特征为：高热导率颗粒金刚石嵌入二级散热体材料中，形成一级散热体，将热膨胀系数调整在6～9×10^-6/℃范围，与微电子器件匹配；一级散热体和二级散热体一体化，不存在机械接触界面，消除了接触热阻；一级散热体为铜、铝、银与金刚石复合层，厚度只有几十微米，热阻很小，一级散热体的强度依靠二级散热体材料作支撑；二级散热体与一级散热体用一次性模压成型制备，减少了制备工艺环节，降低了成本。嵌入式组合热沉加工性能优良，可进行切削、铣削、钻孔等加工工艺，可方便的根据需要进行各种形状加工。

本发明的另一目的在于提供一种上述嵌入式组合热沉的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种嵌入式组合热沉，包括一级散热体和二级散热体，以二级散热体为基体，所述一级散热体嵌入基体表层中，形成位于基体表层的复合层，该一体化的结构即为嵌入式组合热沉。

所述一级散热体为金刚石粉，二级散热体为铜、铝、银或其合金。

所述复合层的厚度为5～40微米。

该热沉的厚度为2～4mm。

采用一次性模压成型方式将一级散热体嵌入基体材料。

所制备的嵌入式组合热沉，其表面热膨胀系数为6～9×10^-6/℃，表面粗糙度比为Ra0.5～0.8μm；厚度为2～4mm，厚度方向的热导率为150～400W/m.℃。

上述嵌入式组合热沉的制备方法，包括下述步骤：

（1）以二级散热体为基体，将基体进行软化退火热处理；软化退火热处理可根据热处理手册依据所选择的材料进行，若板材出厂时已经进行过软化退火处理，则该步骤可省略；

（2）将金刚石粉（一级散热体）用液体配成悬浮液，然后将基体平放在盛悬浮液的容器底部，使金刚石粉沉降在基体表面；在不改变基体表面金刚石分布的前提下，将液面降至低于样品表面（通常采用虹吸或容器底部静排水法），取出样品，此时样品表面覆盖有一层含金刚石粉的甘油水液膜；

（3）先减薄样品表面含金刚石粉的液膜厚度；再用模压法将样品表面的金刚石粉压入基体内（模压后的样品可在清水中超声清洗，以去除少量与基体粘附不牢的金刚石颗粒，然后在空气中风干）；最后对模压后的样品进行扩散退火处理，冷却后即得到嵌入式组合热沉。