CN101624665A - 电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法，原料的组分及体积百分比含量为：镀钨SiC颗粒50％－75％，添加元素0.5％－3％，Cu基体22％－49.5％；其中所述添加元素为Fe、Co、Ni中的一种或几种。复合材料采用混粉、压制、熔渗和复压工艺制备，其中所述Cu基体分为Cu金属粉末及Cu金属块，分别在压制坯料前后加入。本发明采用表面镀钨的SiC颗粒及添加了合金元素，极大改善了物相之间相互的润湿性，因此所制备的材料具有优良的导热率、热膨胀系数和力学性能；所采用的液相熔渗方法具有操作简单、成本低廉、材料致密度高和适合规模化生产的优势。

Description

电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

电子封装是把构成电子器件或集成电路的各个部件按规定的要求实现合理布置、组装、键合、连接、与环境隔离和保护的操作工艺，它要求所使用的封装材料既有高的导热率，又有低的热膨胀率，而且起到机械支撑、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡以及稳定元件参数的作用。在微电子技术高速发展的今天，半导体集成电路封装密度越来越大，对封装材料的性能要求也越来越高，传统的封装材料已很难同时满足各项性能要求。

SiC-Cu由于兼顾SiC陶瓷的低膨胀系数与Cu基体的高导热率从而有望成为一种新型的电子封装材料。然而由于SiC颗粒与Cu基体之间界面润湿性差并且在高温下容易反应，这将导致SiC/Cu材料性能下降。因此现有制备技术最大的挑战来自于如何克服SiC与Cu金属之间存在的上述润湿性及容易反应两大问题，选择一种合适的SiC颗粒表面改性方法及与之相匹配的制备方法成为当前该种材料制备的迫切需求。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法，制备高导热、高致密度复合材料，降低制备成本，便于实现工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案中，原料的组分及体积百分比含量为：镀钨SiC颗粒50％-75％，添加元素0.5％-3％，Cu基体22％-49.5％；其中所述添加元素为Fe、Co、Ni中的一种或几种。复合材料采用混粉、压制、熔渗和复压工艺制备，其中所述Cu基体分为Cu金属粉末及Cu金属块，分别在压制坯料前后加入。

本发明的电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

1、原料的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒50-75％，添加元素0.5-3％，Cu基体22-49.5％；所述添加元素为Fe、Co、Ni中的一种或几种；所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的10-20％，其余为Cu金属块。

2、将Cu金属粉末、添加元素粉末及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为1-20小时，混粉转速为30-100转/分钟。

3、在50MPa-150MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料。

4、将Cu金属块与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1100-1350℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为2-5min/mm，熔渗时间＝熔渗速度×所制备的复合材料厚度。

5、对熔渗完成后的样品进行复压，复压压强为100-500MPa，复压时间为10秒-1分钟；制得电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料。

本发明中，所述镀钨SiC颗粒，是采用溶胶-凝胶方法在表面预先镀覆一层金属钨的SiC颗粒，其颗粒粒度在1-50μm之间。

本发明添加了Fe、Co、Ni元素，此类元素在制备过程中会首先与基体金属进行合金化形成均匀的合金熔融液体，将有助于基体金属溶液在增强颗粒表面的润湿性，实现致密复合材料的制备。熔渗方法的采用很大程度上简化了材料制备流程，具有工艺操作简单，材料容易获得高致密度等优点，降低了制备成本，同时便于实现工业化生产。

本发明制备的电子封装材料具有高致密度、高导热、低膨胀、机械强度好等特点，完全满足电子封装用材料的要求。与常用粉末冶金方法制备的SiC/Cu电子封装材料相比，本发明制备的材料的导热性能有明显提高，在180-300W/m.K之间；热膨胀系数明显降低，在6-9×10^-6/K之间。致密度可达99％以上，机械强度在260-450MPa之间。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。以下实施例不构成对本发明的限定。

以下实施例中含量比例均为体积比。

本发明中所述镀钨SiC颗粒是采用溶胶-凝胶方法预先在SiC颗粒表面获得-层钨金属涂层的方法(见顾明元，甘可可，ZL 200510029906.7“SiC陶瓷颗粒表面镀钨方法”)。本发明只涉及采用镀钨表面处理后的SiC颗粒，不涉及关于SiC颗粒镀钨表面处理方法的内容。

实施例1

制备厚度为0.5mm的含50％镀钨SiC颗粒和0.5％添加元素的铜基复合材料。

1、原料的的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒(粒度为50μm)50％，添加元素Ni粉0.5％，Cu基体49.5％。所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的20％，其余为Cu金属块(49.5％-20％＝29.5％)。

2、将Cu金属粉末、添加元素粉末及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为1小时，混粉转速为100转/分钟。

3、在50MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料。

4、将Cu金属块与压制成型的坯料一起在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1100℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为5min/mm，熔渗时间＝5min/mm×0.5mm＝2.5分钟。

5、将熔渗完成后的样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到含50％镀钨SiC颗粒增强的Cu基复合材料。该材料导热率为300W/m.K，热膨胀系数为8.5×10^-6/K，抗弯强度为300MPa。

实施例2

制备厚度为200mm的含70％镀钨SiC颗粒和3％添加元素的铜基复合材料。

1、原料的的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒(粒度为1μm)70％，添加元素Fe粉3％，Cu基体27％。所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的10％，其余为Cu金属块(27％-10％＝17％)。

2、将Cu金属粉末、添加元素粉末及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为20小时，混粉转速为30转/分钟。

3、在150MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料。

4、将Cu金属块与压制成型的坯料一起在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1350℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为2min/mm，熔渗时间＝2min/mm×200mm＝400分钟。

5、将熔渗完成后的样品在四柱压机上于100MPa下复压10秒，即可得到含70％镀钨SiC颗粒增强的Cu基复合材料。该材料导热率为200W/m.k，热膨胀系数为6.5×10^-6/K，抗弯强度为450MPa。

实施例3

制备厚度为0.5mm的含60％镀钨SiC颗粒和1％添加元素的铜基复合材料。

1、原料的的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒(粒度为30μm)60％，添加元素Co粉1％，Cu基体39％。所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的15％，其余为Cu金属块(39％-15％＝24％)。

2、将Cu金属粉末、添加元素粉末及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为15小时，混粉转速为50转/分钟。

3、在100MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料。

4、将Cu金属块与压制成型的坯料一起在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1300℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为4min/mm，熔渗时间＝4min/mm×0.5mm＝2分钟。

5、将熔渗完成后的样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到含60％镀钨SiC颗粒增强的Cu基复合材料。该材料导热率为235W/m.K，热膨胀系数为7.0×10^-6/K，抗弯强度为350MPa。

实施例4

制备厚度为200mm的含65％镀钨SiC颗粒和1％添加元素的铜基复合材料。

1、原料的的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒(粒度为10μm)65％，添加元素Co粉1％，Cu基体34％。所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的15％，其余为Cu金属块(34％-15％＝19％)。

2、将Cu金属粉末、添加元素粉末及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为10小时，混粉转速为60转/分钟。

3、在150MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料。

4、将Cu金属块与压制成型的坯料一起在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1250℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为3min/mm，熔渗时间＝3min/mm×200mm＝600分钟。

5、将熔渗完成后的样品在100MPa下复压10秒，即可得到含65％镀钨SiC颗粒增强的Cu基复合材料，该材料导热率为210W/m.K，热膨胀系数为7.2×10^-6/K，抗弯强度为360MPa。

实施例5

制备厚度为10mm的含55％镀钨SiC颗粒和1.5％添加元素的铜基复合材料。

1、原料的的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒(粒度为15μm)55％，添加0.5％的Fe粉、0.5％的Ni粉和0.5％的Co粉，Cu基体43.5％。所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的10％，其余为Cu金属块(43.5％-10％＝33.5％)。

2、将Cu金属粉末、添加元素Fe粉、Ni粉和Co粉，及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为15小时，混粉转速为50转/分钟。

3、在50MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料。

4、将Cu金属块与压制成型的坯料一起在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1200℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为3min/mm，熔渗时间＝3min/mm×10mm＝30分钟。

5、将熔渗完成后的样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到含55％镀钨SiC颗粒增强的Cu基复合材料。该材料导热率为280W/m.K，热膨胀系数为8.0×10^-6/K，抗弯强度为260MPa。

实施例6

制备厚度为15mm的含75％镀钨SiC颗粒和3％添加元素的铜基复合材料。

1、原料的的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒(粒度为1μm)75％，添加1％的Fe粉、0.5％的Ni粉和1.5％的Co粉，Cu基体22％。所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的10％，其余为Cu金属块(22％-10％＝12％)。

2、将Cu金属粉末、添加元素Fe粉、Ni粉和Co粉，及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为10小时，混粉转速为55转/分钟。

3、在50MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料。

4、将Cu金属块与压制成型的坯料一起在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1100℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为2min/mm，熔渗时间＝2min/mm×200mm＝400分钟。

5、将熔渗完成后的样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到含75％镀钨SiC颗粒增强的Cu基复合材料。该材料导热率为180W/m.K，热膨胀系数为6.2×10^-6/K，抗弯强度为380MPa。

Claims (2)

1、一种电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)原料的的组分及体积百分比为：镀钨SiC颗粒50-75％，添加元素0.5-3％，Cu基体22-49.5％；所述添加元素为Fe、Co、Ni中的一种或几种；所述Cu基体中，Cu金属粉末为原料总体积百分比的10-20％，其余为Cu金属块；

2)将Cu金属粉末、添加元素粉末及镀钨SiC颗粒混粉，混粉时间为1-20小时，混粉转速为30-100转/分钟；

3)在50MPa-150MPa压强下，将混粉后的粉末压制成坯料；

4)将Cu金属块与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗；熔渗温度为1100-1350℃，熔渗气氛为氢气气氛；熔渗速度为2-5min/mm，熔渗时间＝熔渗速度×所制备的复合材料厚度；

5)对熔渗完成后的样品进行复压，复压压强为100-500MPa，复压时间为10秒-1分钟；制得电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料。

2、根据权利要求1的电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于所述镀钨SiC颗粒，是采用溶胶-凝胶方法在表面预先镀覆一层金属钨的SiC颗粒，其颗粒粒度在1-50μm之间。