[发明专利]半导体大功率器件用铜-钼铜-铜复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种半导体大功率器件用铜‑钼铜‑铜复合材料及其制备方法，包括如下步骤：⑴在石墨烯的表面化学镀铜并烘干；⑵将纯铜粉、钼粉和镀铜石墨烯粉末混合均匀后轧制成钼铜生坯；⑶将纯铜粉与镀铜石墨烯粉末混合均匀后轧制成铜生坯；⑷将钼铜生坯烧结成型；⑸轧制钼铜烧结坯使其厚度变形量达到40%以上；⑹在钼铜合金的上下表面各放一层铜生坯，然后烧结成型并随炉冷却；⑺将铜‑钼铜‑铜复合烧结坯进行双衬板冷轧成型，总厚度变形量控制在10～35%；⑻将复合终轧坯去应力退火。铜层和钼铜层中分别含有0.05～0.5%石墨烯，石墨烯以表面化学镀铜的形式加入，且钼铜层中含5～30%铜。该复合材料在保持高导电性能的基础上，显著提高了强度和导热性能。

技术领域

本发明涉及一种半导体大功率器件用复合材料，特别涉及一种半导体大功率器件用铜-钼铜-铜复合材料。本发明还涉及一种半导体大功率器件用铜-钼铜-铜复合材料的制备方法，属于金属复合材料技术领域。

背景技术

具有三明治结构的铜-钼铜-铜复合材料具有膨胀系数和热导率可设计性等优点，并能与氧化铍、三氧化二铝陶瓷匹配，是目前半导体大功率电子元器件首选的电子封装材料。该类材料由两面相对高导热的铜和中间低导热的钼铜合金复合而成。作为封装材料，主要散热方式是依靠纵向传导散热，即沿材料的厚度方向导热，将承载其上的芯片等电子元器件的热量导出散热，即芯片将热量传导给封装里层的铜层，经钼铜层再通过最外层的铜层向外散热。

然而，由于中间钼铜层为低导热层，其纵向传导散热效果不够理想，不能将热量快速带出，从而限制了其作为更大功率密度芯片的封装使用。另外，由于纯铜的强度较低，容易发生变形。目前常用的制备铜-钼铜-铜复合材料的手段是烧结获得三明治结构，并采用加热轧制进一步提高层与层之间的界面结合。如中国发明专利CN102601116A、CN103949472A、CN107891636A均公布了铜-钼铜-铜的制备方法，上述发明专利均采用加热轧制，后需要酸洗或机械抛光去除氧化层，再冷轧，工序较多，且由于铜层和钼铜层材料变形性能不同，常规的加热轧制或室温轧制很难使具有三明治结构的铜-钼铜-铜获得均匀变形，且不能解决该结构复合材料中铜层强度不高、钼铜层导热性能不佳等问题。

石墨烯具有高强度、高导热率、高导电率等优点，可作为增强体添加到镍、铝、镁、铜等金属和合金中，来提高复合材料的性能。如《石墨烯增强铜基复合材料的制备和性能研究》（姚龙辉，哈尔滨理工大学硕士学位论文，2017）中报道采用高能球磨法使得石墨烯分散在铜基体中，热压烧结制备了石墨烯增强铜基复合材料，研究发现当石墨烯含量为0.5%质量分数时，复合材料的抗拉强度提高了28%，导热系数提高了33.8%。然而，石墨烯与金属的润湿性较差且分散相对困难，使得石墨烯增强体与基体界面结合性较差且石墨烯容易发生团聚，从而限制了其对复合材料性能提高的空间。石墨烯表面包覆金属过渡层是解决上述问题的一种有效方法，王红勋等在《三维石墨烯表面化学镀Cu改性工艺研究》（沈阳理工大学学报，2017，36(2):78-83）中采用次磷酸钠体系化学镀铜对三维石墨烯表面进行了改性处理，但石墨烯表面铜的沉积速率较慢，低于3nm/h。因此，如何提高石墨烯与基体的结合强度，并使之在基体中均匀分散，充分发挥其高强度、高导热率、高导电率等优势，以满足半导体大功率元器件的应用要求，是本发明解决的主要问题。

发明内容

本发明的首要目的在于，解决现有技术中存在的不足，提供一种半导体大功率器件用铜-钼铜-铜复合材料，在保持高导电性能的基础上，显著提高了复合材料的强度和导热性能。

为解决以上技术问题，本发明的半导体大功率器件用铜-钼铜-铜复合材料，铜层和钼铜层中分别含有质量分数为0.05～0.5%的石墨烯，石墨烯以表面化学镀铜的形式加入，且钼铜层中铜的质量分数为5～30%。