陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器芯片封裝與散熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器在全固體激光器栗浦、激光加工、空間遠(yuǎn)距通訊、醫(yī)療器械、軍事國防上有著極其重要的應(yīng)用。目前，其正向高集成、高功率和高性能的方向快速發(fā)展。隨之而來的則是其熱效應(yīng)的影響越來越明顯，所以對激光器芯片起封裝和散熱作用的熱沉也面臨著更大的挑戰(zhàn)，其熱導(dǎo)率及其熱膨脹系數(shù)與芯片的匹配程度關(guān)系到激光器的可靠性和使用壽命。因此，開發(fā)新型熱膨脹系數(shù)可控、高可靠性的熱沉已成為當(dāng)務(wù)之急。
[0003]Cu熱沉由于具有良好的導(dǎo)熱能力，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器芯片的封裝與散熱。然而，Cu熱沉的熱膨脹系數(shù)較大且為固定值，只能與熱膨脹系數(shù)較大的芯片材料匹配。當(dāng)其與常用的半導(dǎo)體激光器芯片材料(如S1、GaAs和GaSb等)焊接后，會由于熱膨脹系數(shù)相差較大，在焊接界面易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，激光器使用過程中會由于熱疲勞作用而顯著降低激光器的使用壽命。當(dāng)前，為了提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率，需要將多個(gè)不同波長的激光器芯片集成封裝到一塊熱沉上。不同波長的激光器的芯片外延材料不同，具有不同的熱膨脹系數(shù)。因此，熱膨脹系數(shù)單一的熱沉已無法滿足半導(dǎo)體激光器芯片的封裝要求，限制了半導(dǎo)體激光器向大功率、多波長集成方向快速發(fā)展。因此，需要制備一種新型的具有多種熱膨脹系數(shù)的，能夠同時(shí)滿足多種芯片封裝要求的熱沉。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)中熱沉與多種芯片材料的熱膨脹系數(shù)不能同時(shí)匹配的問題，將功能梯度概念引入Cu熱沉中，提供一種陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉及其制備方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
[0006]—種陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉，由兩層或三層不同陶瓷含量的功能層組成，每層功能層由20 - 60vol.%的陶瓷顆粒和40 - 80vol.%的金屬Cu組成。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述陶瓷顆粒為TiB2或者TiB 2-TiC混合物，所述TiB2-TiC混合物為物質(zhì)的量比為2:1的TiBjP TiC。
[0008]一種陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉的制備方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、將2或3組40-80vol.%的Cu粉和20_60vol.%的用于制備陶瓷顆粒的反應(yīng)物粉料分別加入混料機(jī)中，混合均勻后，分別加入模具中，壓制成型，得到2或3個(gè)不同成分的壓坯；
[0010]所述Cu粉的粒度小于等于50 μ m ;
[0011]所述用于制備陶瓷顆粒的反應(yīng)物粉料為Ti粉與B粉的混合物、或Ti粉與B4C粉的混合物；
[0012]所述Ti粉與B粉的混合物中Ti粉與B粉的摩爾比為1: 2，所述Ti粉與B4C粉的混合物中Ti粉與B4C粉的摩爾比為3:1，所述Ti粉的粒度小于等于25 μ m，所述B粉和B4C粉的粒度均小于等于5 μπι;
[0013]步驟二、將步驟一得到的2或3個(gè)不同成分的壓坯疊放在燒結(jié)爐中的石墨模具中，對燒結(jié)爐抽真空后，充入I個(gè)以上大氣壓的惰性氣體，將燒結(jié)爐加熱到300°C保溫25min以上;
[0014]步驟三、將燒結(jié)爐繼續(xù)加熱至800°C后，保溫至壓坯中的粉料發(fā)生反應(yīng)；
[0015]步驟四、對反應(yīng)后的壓坯施加30MPa_80MPa的壓力，保壓1s以上，得到陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉。
[0016]優(yōu)選的是，步驟一中所述Cu粉和用于制備陶瓷顆粒的反應(yīng)物粉料的混合時(shí)間為6h以上；更優(yōu)選的是，混合時(shí)間為6-8h ;混料機(jī)的轉(zhuǎn)速為10-60r/min。
[0017]優(yōu)選的是，步驟二中所述保溫時(shí)間為25_35min。
[0018]優(yōu)選的是，步驟二中所述充入的惰性氣體為1-1.5個(gè)大氣壓。
[0019]優(yōu)選的是，步驟三中所述保溫時(shí)間為5-10min。
[0020]優(yōu)選的是，步驟三中所述壓坯的溫度通過鎢錸熱電偶監(jiān)控。
[0021]優(yōu)選的是，步驟四中所述保壓時(shí)間10-20S。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0023]1、本發(fā)明提供的陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉具有多個(gè)不同熱膨脹系數(shù)的功能層，可匹配多種芯片的熱膨脹系數(shù)，在芯片與熱沉焊接過程中不會引起應(yīng)力集中，在激光器芯片使用過程中，能夠顯著提高激光器的使用壽命；并且梯度功能層之間的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，能有效避免梯度層之間的脆性斷裂。
[0024]2、本發(fā)明的陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉的制備方法中，由于加熱過程中，在較低溫度下(SO(TC)Cu粉與Ti粉會發(fā)生固固反應(yīng)，反應(yīng)過程中釋放出的熱量會進(jìn)一步瞬間引燃整個(gè)反應(yīng)體系，所以本方法制備Cu熱沉的制備溫度為800°C，制備溫度低，降低能耗，節(jié)約成本，且一次成型，工藝簡單可靠易于推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0026]圖1為本發(fā)明陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的TiB2陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉的結(jié)構(gòu)示意圖和各功能層產(chǎn)物的X射線衍射分析；
[0028]圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備的TiB2-TiC陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉的結(jié)構(gòu)示意圖和各功能層產(chǎn)物的X射線衍射分析。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了進(jìn)一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0030]陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉，由兩層或三層不同陶瓷含量的功能層組成，每層功能層由20 - 60vol.%的陶瓷顆粒和40 - 80vol.%的金屬Cu組成。
[0031]可通過控制陶瓷顆粒的含量來調(diào)節(jié)各功能層的熱膨脹系數(shù)；如圖1所示，本實(shí)施方式中，各功能層之間緊密接觸，層與層之間都為冶金結(jié)合。
[0032]所述陶瓷顆粒為TiB2或者TiB 2-TiC混合物，所述TiB2-TiC混合物為物質(zhì)的量比為 2:1 的 TiB2^P TiC0
[0033]本發(fā)明的陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉，功能層為2或3層，功能層數(shù)大于3層對模具要求較高，且制備的熱沉容易出現(xiàn)孔洞，影響熱沉整體的導(dǎo)熱能力。
[0034]本發(fā)明的陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉，陶瓷顆粒為1^2的功能層可通過Cu-T1-B體系反應(yīng)生成；陶瓷顆粒為TiB2-TiC的功能層可通過Cu-T1-B4C體系反應(yīng)生成。
[0035]上述陶瓷顆粒梯度增強(qiáng)Cu熱沉的制備方法，主要包括壓坯制備和燒結(jié)制備熱沉兩個(gè)階段，燒結(jié)制備熱沉分為預(yù)熱、反應(yīng)和致密化三個(gè)過程，具體包括以下步驟:
[0036]步驟一、壓坯制備:
[0037]稱取2或3組40-80vol.%的Cu粉和20_60vol.%的用于制備陶瓷顆粒的反應(yīng)物粉料分別加入混料機(jī)中，混合均勻后，分別加入模具中，壓制成型，得到2或3個(gè)不同成分的壓坯；
[0038]其中，用于制備陶瓷顆粒的反應(yīng)物粉料為Ti粉與B粉的混合物、或Ti粉與B4C粉的混合物，當(dāng)反應(yīng)物粉料為Ti粉和B粉的混合物時(shí)，Ti粉和B粉的物質(zhì)的量比為1:2 ;當(dāng)反應(yīng)物粉料為Ti粉和B4C粉的混合物時(shí)，由反應(yīng)方程式:3Ti+B4C = 2TiB2+TiC可知，Ti粉與B4C粉的物質(zhì)的量比為3:1，生成的1182與TiC的摩爾比為2:1 ;Cu粉的粒度小于等于50 μ m，Ti粉的粒度小于等于25 μ m，B粉和B4C粉的粒度均小于等于5 μ m。粒度越小粉料的擴(kuò)散速度越快，越容易發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)越完全，如果粉料粒度大于上述尺寸，由于固固擴(kuò)散速率較低，會導(dǎo)致后期加熱過程中粉料之間反應(yīng)不完全，也就無法制備本發(fā)明的熱沉；Cu粉、Ti粉、B粉和B4C粉的純度皆大于99%，沒有其他特殊限制，可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知方式獲得；
[0039]混料均勻一般需要6h以上，其中混料機(jī)的轉(zhuǎn)速為10-60r/min，考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率，一般混合6-8h，混料時(shí)間如果低于6h，將混料不均勻，制備的各功能層的不同位置的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)會出現(xiàn)偏差；
[0040]步驟二、預(yù)熱:
[0041]將步驟一制備的2或3個(gè)不同成分的壓坯疊放在燒結(jié)爐中的石墨模具中，對燒結(jié)爐抽真空后充入I個(gè)大氣壓以上的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，隨后，將燒結(jié)爐加熱到300°C進(jìn)行預(yù)熱，保溫25min以上；
[0042]其中，充入惰性氣體是為了抑制Cu粉的揮發(fā)，真空條件下充入I個(gè)大氣壓以上的惰性氣體就可以有效抑制其揮發(fā)，考慮生產(chǎn)成本，一般采用1-1.5個(gè)大氣壓，惰性氣體可以采用高純氬氣或氮?dú)猓?br>[0043]預(yù)熱能夠使壓坯溫度與燒結(jié)爐的溫度一致，有利于壓坯后期反應(yīng)完全，可以通過鎢錸熱電偶監(jiān)控壓坯的溫度，預(yù)熱25min以后壓坯溫度與燒結(jié)爐的溫度能夠達(dá)到一致，考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率，預(yù)熱時(shí)間一般為25-35min ；
[0044]步驟三、反應(yīng):
[0045]將燒結(jié)爐繼續(xù)加熱至800 °C保溫，至壓坯中的粉料發(fā)生反應(yīng)，一般需保溫5-10min ；
[0046]其中，可以通過鎢錸熱電偶監(jiān)控壓坯的溫度，在爐子的溫度800°