[发明专利]陶瓷颗粒梯度增强Cu热沉及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光器芯片封装与散热技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒梯度增强Cu热沉及其制备方法。

背景技术

半导体激光器在全固体激光器泵浦、激光加工、空间远距通讯、医疗器械、军事国防上有着极其重要的应用。目前，其正向高集成、高功率和高性能的方向快速发展。随之而来的则是其热效应的影响越来越明显，所以对激光器芯片起封装和散热作用的热沉也面临着更大的挑战，其热导率及其热膨胀系数与芯片的匹配程度关系到激光器的可靠性和使用寿命。因此，开发新型热膨胀系数可控、高可靠性的热沉已成为当务之急。

Cu热沉由于具有良好的导热能力，被广泛应用于半导体激光器芯片的封装与散热。然而，Cu热沉的热膨胀系数较大且为固定值，只能与热膨胀系数较大的芯片材料匹配。当其与常用的半导体激光器芯片材料(如Si、GaAs和GaSb等)焊接后，会由于热膨胀系数相差较大，在焊接界面易产生应力集中现象，激光器使用过程中会由于热疲劳作用而显著降低激光器的使用寿命。当前，为了提高半导体激光器的输出功率，需要将多个不同波长的激光器芯片集成封装到一块热沉上。不同波长的激光器的芯片外延材料不同，具有不同的热膨胀系数。因此，热膨胀系数单一的热沉已无法满足半导体激光器芯片的封装要求，限制了半导体激光器向大功率、多波长集成方向快速发展。因此，需要制备一种新型的具有多种热膨胀系数的，能够同时满足多种芯片封装要求的热沉。

发明内容

本发明要解决现有技术中热沉与多种芯片材料的热膨胀系数不能同时匹配的问题，将功能梯度概念引入Cu热沉中，提供一种陶瓷颗粒梯度增强Cu热沉及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种陶瓷颗粒梯度增强Cu热沉，由两层或三层不同陶瓷含量的功能层组成，每层功能层由20–60vol.％的陶瓷颗粒和40–80vol.％的金属Cu组成。

在上述技术方案中，所述陶瓷颗粒为TiB₂或者TiB₂-TiC混合物，所述TiB₂-TiC混合物为物质的量比为2:1的TiB₂和TiC。

一种陶瓷颗粒梯度增强Cu热沉的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将2或3组40-80vol.％的Cu粉和20-60vol.％的用于制备陶瓷颗粒的反应物粉料分别加入混料机中，混合均匀后，分别加入模具中，压制成型，得到2或3个不同成分的压坯；

所述Cu粉的粒度小于等于50μm；

所述用于制备陶瓷颗粒的反应物粉料为Ti粉与B粉的混合物、或Ti粉与B₄C粉的混合物；

所述Ti粉与B粉的混合物中Ti粉与B粉的摩尔比为1:2，所述Ti粉与B₄C粉的混合物中Ti粉与B₄C粉的摩尔比为3:1，所述Ti粉的粒度小于等于25μm，所述B粉和B₄C粉的粒度均小于等于5μm；

步骤二、将步骤一得到的2或3个不同成分的压坯叠放在烧结炉中的石墨模具中，对烧结炉抽真空后，充入1个以上大气压的惰性气体，将烧结炉加热到300℃保温25min以上；

步骤三、将烧结炉继续加热至800℃后，保温至压坯中的粉料发生反应；

步骤四、对反应后的压坯施加30MPa-80MPa的压力，保压10s以上，得到陶瓷颗粒梯度增强Cu热沉。

优选的是，步骤一中所述Cu粉和用于制备陶瓷颗粒的反应物粉料的混合时间为6h以上；更优选的是，混合时间为6-8h；混料机的转速为10-60r/min。

优选的是，步骤二中所述保温时间为25-35min。

优选的是，步骤二中所述充入的惰性气体为1-1.5个大气压。

优选的是，步骤三中所述保温时间为5-10min。

优选的是，步骤三中所述压坯的温度通过钨铼热电偶监控。

优选的是，步骤四中所述保压时间10-20s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的陶瓷颗粒梯度增强Cu热沉具有多个不同热膨胀系数的功能层，可匹配多种芯片的热膨胀系数，在芯片与热沉焊接过程中不会引起应力集中，在激光器芯片使用过程中，能够显著提高激光器的使用寿命；并且梯度功能层之间的界面结合为冶金结合，能有效避免梯度层之间的脆性断裂。