[发明专利]高导热性的钨铜热沉和电子封装材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钨铜复合材料领域，涉及一种钨铜热沉和电子封装材料，尤其具有高导热性的钨铜热沉和电子封装材料及其制备方法。

背景技术

钨铜复合材料是由钨和铜所组成的两相均匀分布的既不固溶又不形成化合物的一类复合材料，具有铜的高导电、导热性能和钨的高熔点、低热膨胀系数的特点，是理想的热沉和封装材料。

随着开关电器向高压、高容量的方向发展，以及电子器件不断向小型化、大功率、高可靠性和低成本发展，半导体功率器件集成度增加而导致高发热率，迫切要求上述广泛使用的钨铜热沉和封装材料的导热性尽可能提高，且要求钨铜符合材料致密性高、含气量低。然而，传统的均质钨铜复合材料很难同时满足高热导率与保持低热膨胀系数的要求。

为了提高钨铜复合材料的热导率，CN1470348A公开一种钨铜梯度热沉材料，其具有含铜量高的散热层、含钨量高的封接层以及位于散热层和封接层之间的过渡层。又，CN102051498A公开一种钨铜合金热沉材料，其在现有的钨铜合金面上开设众多Z向通孔，通过在各通孔中铆入延伸至上下平面的铜芯柱，从而通过增加的铜芯柱来提高复合材料的热导性。然而上述对比文件公开的复合材料结构都较为复杂，而且制备工艺也相对复杂。因此，需要寻找一种制备方法简单方便、成本较低，且具有高热导率的钨铜热沉和封装材料。

由于钨、铜的熔点相差很大，且钨铜不互溶，钨铜热沉和封装材料一般采用粉末冶金的方法制备，主要包括熔渗法和直接烧结法。熔渗法是将钨粉或添加混合有少量诱导铜粉的钨粉制成压坯，然后在还原气氛或真空中，在900℃-950℃条件下预烧结， 获得一定强度的多孔钨骨架。将块状铜金属或压制好的铜坯放置到多孔钨骨架上面或下面，在高于铜熔点以上的温度进行烧结。或将多孔钨骨架全部浸没到熔点较低的铜熔液中（熔浸法）。直接烧结法则是将所需成分的钨和铜的混合粉压制成型后直接烧结制得产品。熔渗（浸）法制备的钨铜合金中总存在少量的封闭孔隙不能被熔渗金属填充。直接烧结法一次烧结亦较难获得高致密化的钨铜复合材料，残余孔隙的存在会显著降低其导电导热性。因此，两种制备方法均需要采用二次加工技术，包括复压复烧、热等静压、锤锻、冷热轧等，来进一步提高钨铜合金的致密度（ 陶应启, 王祖平, 方宁象, 等. 钨铜复合材料的制造工艺, 粉末冶金技术, 20 (2002) 49-51）。这使得钨铜合金的制备工艺复杂化，生产周期延长，成本增加。

等离子体喷涂技术具有可制备厚涂层（大于0.5mm）及块体材料、适合大面积制造、经济性良好等优点。同时制备的涂层还具有结构致密、厚度可控、气孔率较低等特点，在国防、航空、工业、医学等领域等众多领域得到了广泛的应用。最近研究表明，采用真空等离子体喷涂技术，通过工艺参数的控制，其可在铜合金基体上喷涂制备钨层，其中，可在喷涂钨层之前，喷涂梯度的钨铜层，制备得到由铜基体、梯度钨铜层和表面钨层构成的复合材料（Yaran Niu, Xuebin Zheng, Heng Ji, et al. Microstructure and thermal property of tungsten coatings prepared by vacuum plasma spraying technology, Fusion Engineering and Design, 85 (2010) 1521-1526. Yaran Niu, Deyang Hu, Heng Ji, et al. Effect of bond coatings on properties of vacuum plasma sprayed tungsten coatings on copper alloy substrate, Fusion Engineering and Design 86 (2011) 307-311.）。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人经过锐意的研究，发现具有一定比例的钨铜复合涂层与铜或铜合金基体具有较强的结合力，这样通过等离子体喷涂技术将一定比例的钨铜复合原料喷涂于铜或铜合金基体上可在基体上很好地获得大面积的钨铜复合涂层。