[發明專利]一種嵌入式組合熱沉及其制備方法

有效

• 申請號: 201310441824.8
• 申請日: 2013-09-25
• 公開（公告）號: CN103496215A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 邱萬奇;洪濤
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B32B15/16
• 分類號: B32B15/16;B32B37/24
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 宮愛鵬

技術領域

本發明屬于散熱管理材料領域，特別涉及高功率密度器件、發光二極管及固體激光器等器件上嵌入式組合熱沉及其制備方法。

背景技術

隨著微電子集成技術和空芯印制板高密度組裝技術的飛速進展，半導體集成電路密度越來越大，功率密度越來越高，運行過程中產生大量的熱量。器件的工作穩定性和安全可靠性直接取決于如何將元器件產生的焦耳熱快速向體系外發散等熱控制，其可靠性和壽命隨溫度升高而指數式下降。散熱已經成為現代微電子器件進一步發展的關鍵問題之一。微電子器件生產中熱管理控制的一個有效措施是在器件底部結合一個高熱導率的散熱體（一級散熱體），吸收元器件發出的熱量，并將其迅速傳遞給二級散熱體系，再由流動的氣體或液體介質（三級散熱體系）將熱量散發到環境中。目前的散熱熱沉產品和學者開發研究的大多是一級散熱體材料，一級散熱體與器件直接接觸，不僅要有高的熱導率，而且要有和半導體材料向匹配的熱膨脹系數，即要求一級散熱體材料熱膨脹系數在1～9×10^-6/℃范圍，以防止器件在服役時因熱疲勞而損壞。常見的銅、銀、鋁等良導體雖然有較高的熱導率，但因熱膨脹系數太大，無法直接用作一級散熱體，只能利用其良好的塑性加工性能，加工成鱗片狀的二級散熱體，將從一級散熱體傳輸過來的熱量由三級散熱體（水冷或風冷）散發到環境中。目前一級散熱體材料大多是銅、銀、鋁等與高體積含量的顆粒金剛石復合，一來是降低熱膨脹系數，二是提高熱導率。該方法的缺點為，含大量顆粒金剛石的復合一級散熱體，成型加工性能很差，強度低，作一級散熱體需要有一定厚度才能保證強度，但這也使沿厚度方向的熱擴散距離增大，雖然熱導率較高，熱阻卻不小，另外，過厚的一級散熱體也不利用整個微電子器件的小型化；一級散熱體大多以機械接觸方式與二級散熱體連接，接觸熱阻大，盡管涂敷導熱硅脂能將接觸熱阻適當降低，但整體散熱熱阻不能有效減小，散熱效果仍然有限。

高效熱沉仍是當今學者研究熱點，但大多致力于對單一的一級散熱體材料提高熱導率的研究，工藝復雜，雖熱導率提高明顯，但一級散熱體的抗彎強度及機械加工性能顯著變差。單獨研究一級散熱體或二級散熱體不能解決上述綜合問題。

發明內容

為克服上述現有技術存在的缺點和不足，本發明提供一種嵌入式組合熱沉。其特征為：高熱導率顆粒金剛石嵌入二級散熱體材料中，形成一級散熱體，將熱膨脹系數調整在6～9×10^-6/℃范圍，與微電子器件匹配；一級散熱體和二級散熱體一體化，不存在機械接觸界面，消除了接觸熱阻；一級散熱體為銅、鋁、銀與金剛石復合層，厚度只有幾十微米，熱阻很小，一級散熱體的強度依靠二級散熱體材料作支撐；二級散熱體與一級散熱體用一次性模壓成型制備，減少了制備工藝環節，降低了成本。嵌入式組合熱沉加工性能優良，可進行切削、銑削、鉆孔等加工工藝，可方便的根據需要進行各種形狀加工。

本發明的另一目的在于提供一種上述嵌入式組合熱沉的制備方法。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種嵌入式組合熱沉，包括一級散熱體和二級散熱體，以二級散熱體為基體，所述一級散熱體嵌入基體表層中，形成位于基體表層的復合層，該一體化的結構即為嵌入式組合熱沉。

所述一級散熱體為金剛石粉，二級散熱體為銅、鋁、銀或其合金。

所述復合層的厚度為5～40微米。

該熱沉的厚度為2～4mm。

采用一次性模壓成型方式將一級散熱體嵌入基體材料。

所制備的嵌入式組合熱沉，其表面熱膨脹系數為6～9×10^-6/℃，表面粗糙度比為Ra0.5～0.8μm；厚度為2～4mm，厚度方向的熱導率為150～400W/m.℃。

上述嵌入式組合熱沉的制備方法，包括下述步驟：

（1）以二級散熱體為基體，將基體進行軟化退火熱處理；軟化退火熱處理可根據熱處理手冊依據所選擇的材料進行，若板材出廠時已經進行過軟化退火處理，則該步驟可省略；

（2）將金剛石粉（一級散熱體）用液體配成懸浮液，然后將基體平放在盛懸浮液的容器底部，使金剛石粉沉降在基體表面；在不改變基體表面金剛石分布的前提下，將液面降至低于樣品表面（通常采用虹吸或容器底部靜排水法），取出樣品，此時樣品表面覆蓋有一層含金剛石粉的甘油水液膜；

（3）先減薄樣品表面含金剛石粉的液膜厚度；再用模壓法將樣品表面的金剛石粉壓入基體內（模壓后的樣品可在清水中超聲清洗，以去除少量與基體粘附不牢的金剛石顆粒，然后在空氣中風干）；最后對模壓后的樣品進行擴散退火處理，冷卻后即得到嵌入式組合熱沉。