[發(fā)明專利]一種真空熔滲法制備金剛石/Si(Al)復合材料的工藝方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810003359.2
• 申請日: 2018-01-03
• 公開（公告）號: CN108257880B
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發(fā)明（設計）人: 何新波;鄭偉;吳茂;曲選輝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01L21/56
• 分類號: H01L21/56
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種真空熔滲法制備金剛石/Si(Al)復合材料的工藝方法，屬于電子封裝材料領域。其特征是采用真空熔滲法，將硅粉，鋁粉以及有機粘結(jié)劑按照適當比例混合，并用有機溶劑潤濕成糊狀，然后加入金剛石顆粒，攪拌均勻，經(jīng)混料機混合均勻，壓制成具有規(guī)則形狀的多孔預制坯體，隨后進行脫脂處理，使有機粘結(jié)劑完全分解，接著將多孔坯體放入真空熔滲爐中，用硅粉掩埋，密封，抽真空，并溫度加熱至硅熔點以上，進行液體熔滲，實現(xiàn)多孔坯體的致密化，制備出具有規(guī)則形狀，高致密，優(yōu)秀熱物理性能的金剛石/Si/Al復合材料。這種復合材料高導熱，低膨脹，密度低，輕度高，制備簡便，后期加工處理難度小，是一種潛在的電子封裝用基體材料。

技術領域

本發(fā)明屬于電子封裝材料領域，涉及一種電子封裝用的金剛石顆粒增強復合材料。采用這種方法制備的金剛石/SiC復合材料，是一種高致密性、高導熱、低熱膨脹性的新型電子封裝材料，在集成電路基片的制造生產(chǎn)上具有很大的市場潛力。

背景技術

隨著電子科技的飛速發(fā)展，集成電路的發(fā)展日新月異。隨著電路效率提升的同時，電路內(nèi)部元器件的的效率也在不斷提高，由此而產(chǎn)生的一個關鍵性問題在于，電路運行過程中產(chǎn)生的大量熱集中在一起，不能及時地從元件中散發(fā)出去，必然降低元件運行的效率，甚至會影響元件的使用壽命，這是集成電路進一步發(fā)展的一個阻礙。如何有效地解決這個問題已經(jīng)成為各國政府和企業(yè)關心的重要問題。金剛石復合材料是一種新型的電子封裝材料，金剛石具有陶瓷晶體結(jié)構(gòu)，具有高導熱和低熱膨脹的特性，同時，金剛石本身硬度強度高，化學穩(wěn)定性好，適合作為電子封裝的原材料。近年來，人工合成金剛石的成本大幅下降，金剛石在功能領域的開發(fā)，尤其是金剛石顆粒增強復合材料的開發(fā)被更多的研究者所關注。

目前，金剛石顆粒增強復合材料主要包括了金剛石/鋁，金剛石/銅，金剛石/硅復合材料。金剛石/Al復合材料采用金屬鋁作為復合材料的基體，鋁具有高導熱，高膨脹，低密度，低硬度，低熔點的特性。金剛石復合材料的制備方法主要有熱壓，鑄造，熔滲，放電等離子燒結(jié)等等，其目前制備的金剛石/Al復合材料的熱導率最高可達700W/mK以上。金剛石/Cu復合材料是在金剛石/Al復合材料的基礎上開發(fā)的又一種金屬基復合材料。相比于鋁，銅的密度大，硬度強度高，導熱系數(shù)也更大，因而金剛石/Cu復合材料具有更為優(yōu)異的導熱性能，但是由于金剛石與金屬之間的晶體結(jié)構(gòu)的差異，在復合材料制備過程中存在著許多的困難，其中首要的困難在復合材料致密化的問題。兩種晶體結(jié)構(gòu)的差異導致金剛石金屬之間的潤濕性差，高溫下制備時，二者很難形成有效的粘接，再加上金屬本身熱膨脹系數(shù)遠大于金剛石，制備過程中，溫度下降，材料冷卻收縮，會在復合材料內(nèi)部留下許多間隙，材料的致密度下降，這就導致復合材料的熱物理性能和機械性能受到很大影響。為了對復合材料進行改進，可通過對金剛石進行鍍覆等的辦法來進行，主要的鍍覆材料包括鈦、鉻、鎳等，通過在金剛石表面形成相應的碳化物來降低金剛石與金屬之間的表面張力的差異，另一種方法就是尋找新的替代金屬的基體材料，硅正是這樣一種較好的替代品，硅的導熱系數(shù)為148W/mK左右，熱脹系數(shù)2.1×10^-6/K，密度2.3g/cm³，莫式硬度6.5，熔點1420℃，由于硅與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)具有相似性，因而他們之間具有較好的潤濕性，同時金剛石與硅之間的熱膨脹系數(shù)都較小，不會因為降溫時體積收縮產(chǎn)生較大的殘余熱應力，此外，以硅作為復合材料的基體可以與目前大多數(shù)的硅電路板匹配，在使用過程中不會因為元器件多次吸熱放熱而使封裝基板與元件及電路板之間產(chǎn)生松動，因而金剛石/硅復合材料是一種理想的電子封裝的原材料。此外，以硅取代金屬制備的金剛石復合材料，還具有許多獨特之處，例如，硅的高熔點，可以增大復合材料使用的溫度范圍，硅的化學穩(wěn)定性，耐腐蝕性，使其制備的復合材料可以應用更為復雜的環(huán)境條件。