CN101615600A

CN101615600A - 一种高导热电子封装材料及其制备方法

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Publication number: CN101615600A
Application number: CN200910158354A
Authority: CN
Inventors: 刘永正; 崔岩
Original assignee: Beijing Institute of Aeronautical Materials China Aviation Industry No 1 Group Corp
Current assignee: Beijing Institute of Aeronautical Materials China Aviation Industry No 1 Group Corp
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: CN101615600B

Abstract

本发明属于电子封装材料技术领域，提供了一种高导热电子封装材料及其制备方法。封装材料包括含有金刚石颗粒组成的增强体、纯铜粉及第三组元即，铬或钼或硅或钛或钨构成，其中，增强体在材料中所占的体积分数为25％～80％，第三组元所占的体积分数0.01％～10％。封装材料的制备方法是将增强体、纯铜粉、第三组元按配比均匀混合，在还原炉中用氢气还原，时间1～5小时，温度200～400℃；然后将混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺：抽真空，再以50～200℃/min的升温速度加热到700～1100℃，并加压20～50MPa，达到烧结温度后保温1～20分钟，随炉冷却后取出脱模。

Description

一种高导热电子封装材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子封装材料技术领域，提供了一种高导热电子封装材料及其制备方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，电子元器件集成化程度越来越高，发热量也越来越大，微处理器及功率半导体器件在应用过程中常常因为温度过高而无法正常工作，散热问题已成为电子信息产业发展面临的主要技术瓶颈之一。传统的电子封装材料主要有：Al、Cu、Kovar合金、Invar合金、W/Cu合金、Mo/Cu合金等。Al、Cu的热膨胀系数过大，与陶瓷基片不匹配；Kovar合金、Invar合金热导率过低、热扩散能力差；W/Cu合金、Mo/Cu合金密度较大，且导热性能无法满足现代大功率器件的电子封装发展需要。

金刚石具有着良好的物理性能，其室温热导率为600-2200W/m·K，热膨胀系数0.8×10^-6/K，可以将其与高导热金属复合来制备电子封装材料。1995年美国开发了金刚石/铜复合材料，称之为Dymalloy，采用的是真空浸渗法制备的复合材料，作为多芯片模块的基板使用，热导率可达420W/m·K，CTE为5.48～6.5×10^-6/K，但制备工艺复杂、成本高。2003年日本科学家Yoshida等通过高温高压(1420～1470K，4.5GPa)制备出金刚石/铜复合材料，热导率最高达742W/m·K。俄罗斯Ekimov等采用高温高压方法制备出导热可达900W/m·K的金刚石/铜复合材料，但可以获得的体积很小，应用价值不大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高导热电子封装材料及其制备方法。

本发明技术方案如下：

封装材料包括含有金刚石颗粒组成的增强体、纯铜粉及第三组元即，铬或钼或硅或钛或钨构成，其中，增强体在材料中所占的体积分数为25％～80％，第三组元所占的体积分数0.01％～10％。

所述的增强体为金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合；其中，增强体中的金刚石颗粒尺寸7～500μm，碳化硅颗粒尺寸1～120μm，金刚石在封装材料中所占的体积分数25％～80％，碳化硅在封装材料中所占的体积分数0％～50％。

所述的金刚石颗粒与碳化硅颗粒为未镀覆颗粒或镀铜的颗粒。

高导热电子封装材料的制备方法是，将增强体、纯铜粉、第三组元按配比均匀混合，在还原炉中用氢气还原，时间1～5小时，温度200～400℃；然后将混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺：抽真空，再以50～200℃/min的升温速度加热到700～1100℃，并加压20～50MPa，达到烧结温度后保温1～20分钟，随炉冷却后取出脱模。

本发明的优点：

1本发明制备的电子封装材料热导率在350～760W/m·K，线膨胀系数4.7～12×10^-6/K，提高了封装材料的可靠性，可满足高功率集成电路对电子封装材料的需求。

2本发明可省去高温高压等的复杂高成本工艺，工艺简单、效率高。

3铬、钼、硅、钛、钨的加入可改善金刚石与铜的界面结合状态，减小金刚石与铜的界面热阻，从而获得高导热性能的电子封装材料。

4使用碳化硅颗粒替代一部分金刚石颗粒，可在导热性能小幅下降的同时大幅降低成本。

具体实施方式

高导热电子封装材料是由增强体、纯铜粉及第三组元即，铬或钼或硅或钛或钨构成。首先按预先设计好的配比均匀混合，还原炉中用氢气还原，时间1～5小时，温度200～400℃，然后将混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺制备高导热电子封装材料。

所述的增强体为金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合，在材料中所占的体积分数25％～80％。其中金刚石颗粒尺寸7～500μm，在材料中所占的体积分数为25％～80％；碳化硅颗粒尺寸1～120μm，在材料中所占的体积分数为0％～50％。

所述的金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合中金刚石颗粒与碳化硅颗粒为未镀覆颗粒或镀铜的颗粒。

所述的放电等离子烧结工艺：抽真空，再以50～200℃/min的升温速度加热到700～1100℃，并加压20～50MPa，达到烧结温度后保温1～20分钟，随炉冷却后取出脱模，制得高导热电子封装材料。

实施例1：

原料：粒径140μm的金刚石颗粒、粒径30μm的碳化硅颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为25∶25∶47∶3。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度200℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以50℃/min的升温速度加热到700℃，并加压50MPa，达到烧结温度后保温3分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为370W/m·K，热膨胀系数8.2×10^-6/K。

实施例2：

原料：粒径320μm的金刚石颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为50∶48∶2。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原1小时，温度300℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以200℃/min的升温速度加热到1100℃，并加压30MPa，达到烧结温度后保温10分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为550W/m·K，热膨胀系数6.7×10^-6/K。

实施例3：

原料：粒径20μm的金刚石颗粒、纯铜粉、钨粉体积比为60∶30∶10。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原5小时，温度400℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以80℃/min的升温速度加热到950℃，并加压35MPa，达到烧结温度后保温1分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为480W/m·K，热膨胀系数5.8×10^-6/K。

实施例4：

原料：粒径75μm的镀铜金刚石颗粒、纯铜粉、钨粉体积比为80∶19.5∶0.5。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原3小时，温度300℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以75℃/min的升温速度加热到1100℃，并加压45MPa，达到烧结温度后保温15分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为760W/m·K，热膨胀系数4.7×10^-6/K。

实施例5：

原料：粒径120μm的金刚石颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为55∶43∶2。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原4小时，温度250℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以100℃/min的升温速度加热到900℃，并加压20MPa，达到烧结温度后保温5分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为530 W/m·K，热膨胀系数6.8×10^-6/K。

实施例6：

原料：粒径80μm的镀铜金刚石颗粒、粒径30μm的镀铜碳化硅颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为60∶20∶19.5∶0.5。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度200℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以200℃/min的升温速度加热到950℃，并加压30MPa，达到烧结温度后保温10分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为610W/m·K，热膨胀系数5.6×10^-6/K。

实施例7：

原料：粒径7μm的金刚石颗粒、纯铜粉、铬粉体积比为40∶58∶2。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度350℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以120℃/min的升温速度加热到870℃，并加压20MPa，达到烧结温度后保温8分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为440W/m·K，热膨胀系数9.8×10^-6/K。

实施例8：

原料：粒径40μm的金刚石颗粒、粒径120μm的镀铜碳化硅颗粒、纯铜粉、钛粉体积比为25∶50∶24∶1。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原4小时，温度400℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以200℃/min的升温速度加热到750℃，并加压35MPa，达到烧结温度后保温10分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为350W/m·K，热膨胀系数6.6×10^-6/K。

实施例9：

原料：粒径500μm的金刚石颗粒、纯铜粉、硅粉体积比为42∶54∶4。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度200℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以150℃/min的升温速度加热到1000℃，并加压25MPa，达到烧结温度后保温20分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为580W/m·K，热膨胀系数8.9×10^-6/K。

实施例10：

原料：粒径220μm的金刚石颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为25∶74∶1。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原3.5小时，温度300℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以200℃/min的升温速度加热到800℃，并加压30MPa，达到烧结温度后保温15分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为420W/m·K，热膨胀系数12×10^-6/K。

实施例11：

原料：粒径110μm的金刚石颗粒、粒径1μm的碳化硅颗粒、纯铜粉、铬粉体积比为45∶15∶39.99∶0.01。

将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2.5小时，温度350℃后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为：以100℃/min的升温速度加热到1000℃，并加压50MPa，达到烧结温度后保温5分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为490W/m·K，热膨胀系数6.3×10^-6/K。

Claims

1.一种高导热电子封装材料，其特征在于：封装材料包括含有金刚石颗粒组成的增强体、纯铜粉及第三组元即，铬或钼或硅或钛或钨构成，其中，增强体在材料中所占的体积分数为25％～80％，第三组元所占的体积分数0.01％～10％。

2.按照权利要求1所述的一种高导热电子封装材料，其特征在于：所述的增强体为金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合；其中，增强体中的金刚石颗粒尺寸7～500μm，碳化硅颗粒尺寸1～120μm，金刚石在封装材料中所占的体积分数25％～80％，碳化硅在封装材料中所占的体积分数0％～50％。

3.按照权利要求1所述的一种高导热电子封装材料，其特征在于：所述的金刚石颗粒与碳化硅颗粒为未镀覆颗粒或镀铜的颗粒。

4.一种高导热电子封装材料的制备方法，其特征在于：将增强体、纯铜粉、第三组元按配比均匀混合，在还原炉中用氢气还原，时间1～5小时，温度200～400℃；然后将混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺：抽真空，再以50～200℃/min的升温速度加热到700～1100℃，并加压20～50MPa，达到烧结温度后保温1～20分钟，随炉冷却后取出脱模。