[發明專利]一種金剛石-鋁復合材料的磁控濺射鍍膜方法

有效

• 申請號: 201910291811.4
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN109930125B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 陳鋒;朱佳;徐俊
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/16;C23C14/58;C23C28/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明涉及一種金剛石?鋁復合材料的磁控濺射鍍膜方法。該磁控濺射鍍膜方法的操作步驟如下：1.用砂紙研磨復合材料表面，之后將其放入無水乙醇中超聲清洗干凈；2.將樣品放入超高真空磁控濺射設備中，先濺射一層金屬鉻，厚度為200～500nm，再濺射一層金屬銅，厚度為1～2μm；3.進行鍍后熱處理，增加鍍層與復合材料的界面結合強度。采用本發明的磁控濺射鍍膜方法，可確保鍍層與復合材料基體間的界面結合力強、界面熱阻小，為常規的后續鍍鎳工藝帶來方便，并可有效防止鍍鎳時復合材料與水接觸所導致的性能衰退。鍍鎳后按照SJ20130?92《金屬鍍層附著強度試驗方法》中熱震試驗標準，在250℃以上熱震循環10次后無起泡現象與裂紋產生。

技術領域

本發明涉及電子封裝材料工程應用領域，具體涉及金剛石-鋁復合材料的磁控濺射鍍膜方法。

背景技術

隨著電子技術的不斷發展，電子器件的集成度和功率密度越來越高，勢必導致發熱量的顯著增加，從而增加元器件失效的幾率。金剛石/鋁是一種新型的復合材料，其熱導率(500～600W/m·K)是傳統鉬銅散熱材料的2～3倍，熱膨脹系數與芯片半導體材料接近，且密度遠低于鉬銅，在電子封裝領域顯示了重要的應用前景。

在電子封裝結構中，半導體芯片產生的熱量通過薄片狀金剛石-鋁復合材料傳導給散熱底板，再擴散到外部環境，其中，復合材料的上下表面均需通過釬焊實現與芯片和散熱底板的金屬連接，以減小熱阻。在電子封裝工藝中，最常用的焊料是金錫焊料，因而通常要求焊接件表面作鍍鎳、鍍金處理，其中鎳作為過渡層，而最外的鍍金層能確保焊料在其表面具有良好的潤濕性和鋪展性。在金剛石-鋁復合材料中，金剛石顆粒的體積分數高，其表面由鋁基體(表面有Al₂O₃膜)和金剛石顆粒構成(見圖1)，可焊性差，必須作表面鍍鎳、鍍金處理。由于在鎳表面鍍金可采用成熟的電鍍金工藝實現，因此對金剛石-鋁復合材料的表面處理工藝而言，最關鍵的是如何在金剛石和鋁基體表面沉積均勻而致密的、具有良好界面結合力的鎳層。

電鍍和化學鍍是一種高效、低成本的材料表面處理工藝，但對金剛石-鋁復合材料而言，由于金剛石不導電，只能采用化學鍍鎳工藝。但采用化學鍍鎳工藝存在以下問題：①鋁非常活潑，一方面在空氣中能快速形成致密的氧化膜，另一方面，鋁在鍍液中會與多種離子發生置換反應，這極易在鋁材表面形成疏松的接觸性鍍鎳層，界面結合強度較差。②金剛石具有很強的化學惰性，必須通過特殊的敏化和活化工藝才能實現鎳離子的沉積。要采用化學鍍工藝在鋁和金剛石表面同時沉積致密且界面結合力良好的鎳層存在很大技術難度。③在金剛石-鋁復合材料制備過程中，金剛石/鋁的界面通常會生成反應物Al₄C₃，其遇水將發生潮解，因此對金剛石-鋁復合材料采用化學鍍鎳工藝往往導致其熱導率的衰退。

磁控濺射是另一種常用的材料表面處理工藝。采用磁控濺射鍍膜，可防止金剛石-鋁復合材料與水接觸造成性能衰退。但該工藝不能用來直接對金剛石-鋁復合材料進行表面鍍鎳，這是因為鎳是非碳化物形成元素，鎳/金剛石界面僅為物理結合，界面結合力很差。對用于電子封裝散熱的金剛石-鋁復合材料而言，采用磁控濺射工藝鍍膜，必須滿足以下要求：①鍍膜必須與鋁基體和金剛石均能實現良好的界面結合。②鍍膜的熱阻較小(鍍膜熱導率較高，厚度薄)，不影響金剛石-鋁復合材料的高導熱特性。③該鍍膜層必須方便后續的鍍鎳工藝，且與鍍鎳層能牢固結合，界面熱阻小。

雖然單獨在鋁合金或金剛石表面進行磁控濺射鍍膜的技術已較為成熟，但滿足電子封裝散熱用金剛石-鋁復合材料的磁控濺射鍍膜工藝迄今未見文獻報道。

發明內容

技術問題：本發明目的在于提供一種金剛石-鋁復合材料的磁控濺射鍍膜方法，其與基體的界面結合力強、界面熱阻小，可為后續鍍鎳提供方便，并能解決金剛石-鋁復合材料直接化學鍍鎳時界面結合力差和復合材料遇水熱導率衰退等問題。所述金剛石-鋁復合材料，金剛石體積含量為50～65％，鋁為純鋁或鋁硅合金。

技術方案：本發明提供了一種金剛石-鋁復合材料的磁控濺射鍍膜方法，該方法包括以下步驟：