[發明專利]一種高導熱金剛石－銅復合封裝材料及其制備方法

無效

• 申請號: 200710034952.5
• 申請日: 2007-05-18
• 公開（公告）號: CN101139515A
• 公開（公告）日: 2008-03-12
• 發明（設計）人: 易丹青;李薦;侯亞平;葉國華;潘崢嶸;鄭利強
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C09K3/10
• 分類號: C09K3/10
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明涉及一種金剛石-銅復合封裝材料，本發明還涉及該復合封裝材料的制備方法。

背景技術

20世紀八十年代起，微電子封裝技術以及封裝材料已逐漸成為影響微電子技術發展的重要因素之一。在集成電路中封裝材料起著固定芯片、保護內部元件、傳遞電信號并向外散發元件熱量的作用，是集成電路的關鍵部件。隨著集成電路向高密度、小型化、多功能化發展，對電子封裝材料的要求越來越苛刻，目前常用的封裝材料已不能很好地適應微電子技術的發展需要，主要表現為：①雖然純銅材料的熱導率達到398W/(m·K)，但純銅的強度很低，容易變形，采用銅合金雖然能在一定范圍內提高強度，但導熱性能會明顯降低；②純銅的熱膨脹系數較大，難以與硅等半導體材料的熱膨脹性能相匹配；③封裝材料的熱導率無法高于純銅的熱導率。因此研究開發高強高導熱封裝材料具有重要意義。目前，各種新型封裝材料已成為各國競相研發的熱點，新型微電子封裝材料不僅要有低的介電常數、低的介電損耗、與半導體材料匹配的熱膨脹系數，高的熱導率是新型封裝材料導熱能力的關鍵。正是在這樣的背景下，以高熱導率填料增強的金屬基復合材料已經成為眾多封裝材料中的一支獨秀。

銅-金剛石是國外近些年研究的封裝用超高導熱復合材料，其熱導率已經超過了銅的熱導率(銅的熱導率為398W/(m·K))。W.Z.Shao等采用粉末冶金工藝，壓制壓力300MPa，在1159～1220K溫度下燒結，制備出了金剛石-銅復合材料，致密度高于98％。不過在900℃溫度下金剛石顆粒容易碳化，生成CO或CO₂，影響材料組織和性能。K.hanada用粉末冶金的方法制備出了金剛石-銅復合材料，熱導率達到400W/(m·K)，但其詳細制備工藝方面沒有公開。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種具有高熱導率、低熱膨脹系數的高導熱金剛石-銅復合封裝材料。

本發明還要解決的另一個技術問題是提供該復合封裝材料的制備方法。

為了解決上述技術問題，本發明提供的金剛石-銅復合封裝材料，由銅基體和分布在銅基體中的導熱、強度增強物金剛石顆粒以及改善界面結合狀況的添加劑構成，所述的金剛石顆粒含量以質量計為5～60％，選用粒徑范圍為：1μm～150μm，所述的添加劑為鉻、鎳、鎢、鈦、鐵、鉬、鉭或鈮組成的物質組中的一種或它們的任意組合，其含量以質量計為0.1～10％。

本發明中金屬基體Cu是目前封裝材料領域常用的基體材料，具有高的熱導率398W/(m·K)，熱膨脹系數17×10^-6/℃。

本發明中加入金剛石顆粒起到提高封裝材料熱導率、減小熱膨脹系數、提高強度的作用，其在復合材料中的用量以質量計為5～60％，選用粒徑范圍為：1μm～150μm。金剛石是自然界中已知熱導率最高的物質，單晶金剛石的熱導率可達到2000W/(m·K)，當溫度從室溫上升到1200K時，金剛石熱膨脹系數從1.0×10^-6/℃到5.0×10^-6/℃。因此金剛石顆粒在導熱材料應用中存在巨大的潛力，當前金剛石人工合成技術已很成熟，其生產成本大幅度下降，使人造金剛石在復合材料中的大規模應用成為可能。

本發明中加入鉻、鎳、鎢、鈦、鐵、鎳、鉬、鉭或鈮中的一種或它們的任意幾種組合為添加劑，對改善金剛石與基體銅的浸潤性，提高金剛石-銅界面結合狀態，減小銅與金剛石之間的界面熱阻、提高復合材料強度有著重要作用。鉻、鎳、鎢、鈦、鐵、鎳、鉬、鉭或鈮都能與碳形成化合物，在復合材料制備過程中，這些元素可以與金剛石發生界面反應，形成相應的碳化物，在金剛石與銅之間形成過渡層，提高金剛石-銅復合材料的致密度，降低孔隙率，提高界面結合強度，從而減少了影響復合材料導熱性能的不利因素；其次，鉻、鎳、鎢、鈦、鐵、鎳、鉬、鉭或鈮在金屬銅中固溶度很小，因此這些元素的加入不會影響基體Cu的晶體結構，避免了Cu的晶格畸變，這對提高材料的熱導率也是有利的。通過試驗，我們確定，鉻、鎳、鎢、鈦、鐵、鎳、鉬、鉭或鈮添加劑，添加劑的用量以質量計為0.1％～10％較好。

本發明金剛石-銅復合封裝材料采用粉末冶金工藝制備。其生產工藝可以采用如下兩種流程，一種生產工藝流程是：

①銅粉還原處理：將銅粉原料在還原爐中用氫氣還原，還原溫度300℃～700℃，時間0.5～3小時，減少銅粉中的含氧量(當銅粉中氧含量較低時也可以省去還原步驟)；對粒徑范圍為1μm～150μm的金剛石顆?；瘜W鍍添加劑：先將金剛石表面清洗、粗化、敏化、活化處理，然后進行化學鍍添加劑，鍍層厚度為0.8～1.2μm；