專利名稱：Cu－W薄膜涂層集成復合熱沉的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于半導體器件封裝的熱沉材料。
背景技術：
目前，半導體激光器在軍事領域中應用越來越廣泛，其中機載、彈載半導體激光器主要用于雷達、測距、引信、制導跟蹤、瞄準和告警、攔截等。大功率半導體激光器功率的提高，半導體器件的超微型化，使其功耗密度越來越高，散熱問題越來越突出。這樣對封裝用的熱沉材料的性能和可靠性等提出了更高的要求。大功率半導體激光器中用作承載半導體GaAs管芯并擔負散熱任務的熱沉是一種關鍵部件，每條熱沉上須承載60W以上的功率，脈沖寬度100～400μs，重復頻率為10～100Hz，工作時熱負荷大。半導體管芯通過焊料(如PbSn焊料)封裝在熱沉片上，器件工作時會產生熱，正常情況下這些熱量應通過熱沉片散發(fā)出去，但如果熱沉材料性能差，如導熱率低，熱量不能及時散發(fā)出去就會引起熱量積聚、溫度升高，以至燒壞管芯；而當熱沉材料與半導體管芯的熱膨脹系數(shù)匹配不好時，則會由于熱的作用將引起材料的變形使器件失效。因此熱沉材料不僅要求具有好的導熱性能，而且還要具有與Si、GaAs等半導體材料接近的熱膨脹系數(shù)，同時還必須具有足夠的強度、良好的加工性、輕重量和低成本等特性。傳統(tǒng)的Cu、Al材料有良好的導熱性能，但它們的高熱膨脹系數(shù)會產生過大的熱應力，降低了大功率半導體激光器的可靠性和壽命，純W、Mo材料的熱膨脹系數(shù)小，但導熱性能較差，不能滿足散熱要求；近年開發(fā)使用的鎢(鉬)銅復合材料兼具銅的高導熱率和鎢(鉬)的低膨脹系數(shù)，實現(xiàn)了與半導體硅、砷化鎵及陶瓷氧化鋁、氧化鈹?shù)牧己闷ヅ浞饨?，是目前在大?guī)模集成電路和功率器件中應用最廣泛的熱沉材料之一，但其熱導率只有無氧銅的一半左右，如W85Cu15合金的熱導率為160～190W/m·K(無氧銅為398W/m·K)，它們用于一般功率器件是完全可以的，但卻難以解決軍用大功率器件更高的集成度和更快的運行速度所引起的更嚴重的散熱問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，提出一種Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉，它是在無氧銅襯底上沉積一定厚度的Cu-W薄膜而構成一種復合型結構，用與GaAs芯片熱膨脹匹配的Cu-W膜將半導體芯片膜與高膨脹的無氧銅隔離，避免無氧銅產生熱膨脹時直接拉傷半導體芯片，同時復合結構熱導率比塊體鎢銅復合材料高，以滿足半導體激光器功率不斷提高的需要，防止半導體激光器工作時因熱量積聚燒壞芯片，從而提高半導體激光器壽命。
本發(fā)明的技術解決方案是，所述Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉包括無氧銅基體，其技術特征是，在該無氧銅基體上沉積一層Cu-W合金薄膜。
以下對本發(fā)明做出進一步說明。
參見圖1、圖2，本發(fā)明所述Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉包括無氧銅基體1，其技術特征是，在該無氧銅基體上沉積一層Cu-W合金薄膜2。
所述Cu-W合金薄膜2的厚度S可以是8μm-15μm，且該薄膜成份為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，其余為W。
本發(fā)明的Cu-W薄膜涂層復合熱沉用于半導體器件封裝，特別是大功率半導體激光器的封裝，主要承載半導體芯片，起散熱作用。實際使用時，半導體芯片焊接在Cu-W薄膜表面，無氧銅襯底焊接或粘接在管殼上；Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉外形尺寸滿足用戶要求，其外形結構設計可以是圖1、圖2所示。
復合熱沉要求Cu-W薄膜涂層熱膨脹系數(shù)為(6.0～7.5)×10-6K-1，相應的Cu-W薄膜的成份范圍為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，可以根據(jù)要求進行調制；薄膜厚度為8～15μm，這時復合熱沉的熱導率均≥200W/mK。
實施本工藝所用設備為多功能離子束磁控濺射復合鍍膜設備，所采用一種實施例的通用工藝路線如圖3所示；其中Cu-W薄膜沉積工藝采用雙靶磁控濺射聚焦共沉積技術制備Cu-W薄膜，工藝原理如圖4，薄膜成份通過調整Cu靶和W靶的濺射功率來控制，一般地，Cu靶和W靶的濺射功率比為1∶3至1∶4，當濺射功率(絕對值)較大時，取小功率比(即向1∶4方向取值)，當濺射功率(絕對值)較小時，取大功率比(即向1∶3方向取值)。為了保證Cu-W薄膜在Cu襯底的粘附牢固，最好在磁控濺射沉積Cu-W薄膜前采用離子束輔助轟擊鎢粒子注入技術進行界面處理。
本發(fā)明所成薄膜中，Cu和W的成份可采用掃描電鏡X射線能譜方法測量，具體測試方法可參照GB/T 17359一1998《電子探針和掃描電鏡X射線能譜定量分析方法通則》執(zhí)行。圖5是測得含Cu約15％wt的Cu-W薄膜能譜圖，從該圖可以看出，只有Cu和W的特征峰，從而充分表明沉積的薄膜為Cu-W薄膜。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術產品的綜合比較如下表

本發(fā)明的Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉與無氧銅熱沉相比，由于Cu-W薄膜與半導體芯片熱膨脹匹配，它在半導體芯片與無氧銅間可起隔離緩沖作用，避免無氧銅產生熱膨脹時直接拉傷半導體芯片；它與塊體鎢銅復合材料相比，由于Cu-W薄膜涂層復合熱沉是在無氧銅襯底上沉積一層10微米左右的Cu-W薄膜構成，其整體熱導率可大大高于塊體鎢銅復合材料，這樣可以防止半導體激光器工作時因熱量積聚燒壞芯片，并滿足半導體激光器功率不斷提高的需要。
由以上可知，本發(fā)明為一種Cu-W薄膜涂層復合熱沉，它具有熱膨脹與半導體芯片匹配、熱導率高等優(yōu)良特性，可以避免無氧銅產生熱膨脹時直接拉傷半導體芯片，同時防止半導體激光器工作時因熱量積聚燒壞芯片，能滿足大功率半導體激光器封裝的需要，大大了提高半導體激光器壽命。


圖1是一種實施例的熱沉片外形結構示意圖(其中L為片的長度，S為薄膜厚度)；圖2是圖1所示構件的左視結構(其中W和H分別為片的寬和高)；圖3是本發(fā)明的一種實施例通用工藝路線原理圖；圖4是雙靶磁控濺射聚焦共沉積原理圖；圖5是銅鎢(Cu-W)薄膜能譜圖。
在圖中1-無氧銅基體，2-Cu-W合金薄膜，3-銅靶，4-鎢靶。
具體實施例方式
實施例1制作CW048型Cu-W薄膜涂層復合熱沉，Cu含量9.45％wt；采用離子束磁控濺射復合鍍膜工藝在無氧銅襯底上沉積Cu-W薄膜制作復合熱沉，測試其主要性能為(1)產品外形尺寸為11.3mm×3.0mm×0.48mm；(2)復合熱沉熱導率328.8W/m·k；(3)Cu-W薄膜涂層熱膨脹系數(shù)6.22×10-6/℃；(4)Cu-W薄膜涂層厚度9.2μm；(5)熱沉片表面平整光亮；(6)薄膜涂層結合強度高，經受-10℃～55℃熱循環(huán)試驗20次，未發(fā)生分層剝落。
使用樣品燒結封裝激光器芯片GaAs，進行了應用試驗，樣品用于大功率半導體激光器單bar的散熱，樣品出光功率為60W-65W。試驗表明，樣品克服了使用無氧銅熱沉時熱膨脹系數(shù)大和鎢銅熱沉導熱性能差的缺點，提高了大功率半導體激光器的使用壽命和器件的穩(wěn)定性。
實施例2制作CW028型Cu-W薄膜涂層復合熱沉，Cu含量10.20％wt；采用離子束磁控濺射復合鍍膜工藝在無氧銅襯底上沉積Cu-W薄膜制作復合熱沉，測試其主要性能為1.產品外形尺寸為11.3mm×3.0mm×0.29mm；2.復合熱沉熱導率369.6W/m·k；
3.Cu-W薄膜涂層熱膨脹系數(shù)6.34×10-6/℃；4.Cu-W薄膜涂層厚度9.4μm；5.熱沉片表面平整光亮；6.薄膜涂層結合強度高，經受-10℃～55℃熱循環(huán)試驗20次，未發(fā)生分層剝落。
權利要求
1.一種Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉，包括無氧銅基體1，其技術特征是，在該無氧銅基體1上沉積一層Cu-W合金薄膜2。
2.根據(jù)權利要求1所述Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉，其特征是，所述Cu-W合金薄膜2的厚度S為8μm-15μm。
3.根據(jù)權利要求1所述Cu-W薄膜涂層集成復合熱沉，其特征是，所述Cu-W合金薄膜2成份為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，其余為W。
全文摘要
一種Cu－W薄膜涂層集成復合熱沉，包括無氧銅基體1，其上沉積有一層Cu－W合金薄膜2。所述Cu－W合金薄膜2的厚度為8μm－15μm，薄膜成份為Cu含量8.1％wt～17.5％wt，其余為W。本發(fā)明產品具有熱膨脹與半導體芯片匹配、熱導率高等優(yōu)良特性，可以避免無氧銅產生熱膨脹時直接拉傷半導體芯片，同時防止半導體激光器工作時因熱量積聚燒壞芯片，能滿足大功率半導體激光器封裝的需要，大大提高了半導體激光器壽命。
文檔編號H01S5/00GK1845317SQ200610031439
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權日2006年3月31日
發(fā)明者周靈平, 彭坤, 李德意, 李紹祿, 門海泉 申請人:湖南大學