[发明专利]导热体、导热材料和半导体器件的封装结构

说明书

本申请提供一种高导热率的导热体，能够用于对半导体器件进行散热，尤其是可以用于半导体器件封装领域。该导热体包括基体和分布在该基体内的金刚石颗粒以及第一金属纳米颗粒，并且该金刚石颗粒的外表面依次包括有碳化物膜层、第一金属膜层和第二金属膜层，这三层膜层用于降低该金刚石颗粒与该第一金属纳米颗粒之间的界面热阻。另外，本申请还提供了一种流动态的导热材料以及一种采用了前述导热体的半导体封装结构。

技术领域

本申请涉及散热技术，尤其涉及一种导热体、导热材料和半导体器件的封装结构。

背景技术

在半导体器件的封装结构中，通常采用焊料(例如Au80Sn20)或热界面材料(例如导热胶)将该半导体器件设置在散热基板上。然而，Au80Sn20的热导率约为57W/mK，远低于该半导体器件的衬底的热导率(例如硅衬底的热导率约为150W/mK，碳化硅衬底的热导率约为400W/mK)和散热基板的热导率(例如铜基板的热导率约为400W/mK)。因此，焊料本身已成为降低该封装结构热阻的主要瓶颈。

发明内容

本申请提供了一种导热体，该导热体具有比较高的导热率，在将该导热体用在半导体器件的封装结构中时，能够提高该封装结构的导热率。另外，本申请还提供了半导体器件的封装结构，该封装结构用到了前述的导热体。进一步地，本申请还提供了导热材料，对该导热材料进行固化处理后可以得到前述的导热体。

第一方面，本申请提供的一种导热体。该导热体包括基体、金刚石颗粒和第一金属纳米颗粒。其中，金刚石颗粒和第一金属纳米颗粒均分布在该基体内。该金刚石颗粒的外表面依次包裹有碳化物膜层、第一金属膜层和第二金属膜层。该碳化物膜层覆盖在该金刚石颗粒的全部外表面。该第一金属膜层覆盖该碳化物膜层的全部外表面。该第二金属膜层通过化学或者物理沉积的方式覆盖该第一金属膜层的全部外表面。进一步地，该第一金属纳米颗粒与该第二金属膜层的外表面之间通过金属键结合。

在本申请中，该金刚石颗粒的表面覆盖有碳化物膜层、第一金属膜层和第二金属膜层三个膜层，该三个膜层用于降低该金刚石颗粒与第一金属纳米颗粒之间的界面热阻。

因为金刚石是声子导热，而金属是电子导热的，所以金刚石与金属之间的导热方式很不同，这将导致它们之间的导热性不好；并且，由于金刚石和金属两种材料本身的特性差距比较大，所以它们在直接粘附的时候，粘附性也不好。本申请中，在金刚石颗粒和第一金属膜层之间设置了碳化物膜层，由于该碳化物包括碳和金属，所以能够增强金刚石颗粒与第一金属膜层之间的导热性以及粘附性。

值得注意的是，第二金属膜层与第一金属纳米颗粒通常采用相同的材料，因为相同的材料之间更容易实现低热阻的连接。第一金属膜层与第一金属纳米颗粒通常采用不同的材料，但是由于第二金属膜层通常采用化学或者物理沉积的工艺覆盖在第一金属膜层的表面，所以第一金属膜层与第二金属膜层之间的热阻比较低。

综上可知，通过在金刚石颗粒与第一金属纳米颗粒之间设置三个膜层，达到降低该金刚石颗粒与该第一金属纳米颗粒之间界面热阻的效果。

可选的，该基体采用的材料可以是有机聚合物。

可选的，所述金刚石颗粒均匀地分布在所述基体内。

可选的，该第一金属纳米颗粒均匀地分布在所述基体内。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式下，相邻的所述第一金属纳米颗粒之间通过金属键结合，从而可以在该导热体内部形成连通该导热体相对的两个表面的导热路径。

结合第一方面或第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式下，所述第二金属膜层的外表面生长有第二金属纳米颗粒，这样分散在基体内且相邻的第一金属纳米颗粒与第二金属纳米颗粒通过金属键结合，进而形成导热路径。

可选的，该第二金属纳米颗粒均匀地生长在该第二金属膜层的外表面。