CN101649400A - 电子封装用金刚石增强金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子封装用金刚石增强金属基复合材料及其制备方法，所述材料包含的组分及体积百分比含量为：金刚石30％～90％，添加元素0.1％～5％，金属基体10％～70％；其中所述添加元素包含以下元素的一种或几种：Zr、Cr、Ti、B。所述金属基体包括Ag、Cu、Al金属中的一种。该材料采用混粉、压制、熔渗、复压。由于采用合金元素添加的方法极大改善了物相之间相互的润湿性，因此本发明所制备的材料与以往电子封装材料相比具有更为优良的导热率、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、适合规模化生产的优势。

Description

电子封装用金刚石增强金属基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体地说，涉及的是一种电子封装用金刚石增强金属基复合材料及其制备方法。

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，目前常用的电子封装材料其热导率和热膨胀系数远远不能满足目前集成电路和芯片技术的发展需求，因此新型电子封装材料的研制已成为发展电子器件的关键之一。目前，各种新型封装材料已成为各国竞相研发的热点，新型微电子封装材料不仅要有高的热导率，而且还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数。目前常用的AlN、Al₂O₃、SiC、Cu-W、Cu-Mo、Al-SiC等材料，它们的热膨胀系数可以满足电子封装材料的需求，与Si、GaAs等半导体材料热膨胀系数相匹配，但热导率却远远不能满足。金刚石是已知自然界中热导率最高的物质，单晶金刚石的热导率可达到2000W/(m·K)，且室温下金刚石是绝缘体，其在半导体、光学等方面也具有很多优良特性，但单一的金刚石不易制作成封装材料，且成本很高，较理想的是用其做成金属基复合材料。在1995年，美国Lawrence Livermore国家实验室与SunMicrosystems公司合作开发了金刚石/铜复合材料，称之为Dymalloy，其热导率达到420W/(m·K)，25℃～200℃时的CTE为(5.48～6.50)×10^-6/K，与GaAs、Si的热膨胀系数相匹配，作为多芯片模块(MCM)的基板使用，但制备工艺复杂、成本极高。最近几年，工业发达国家特别是日本对金刚石/铜复合材料做了大量研究，并在制备方面取得了巨大突破。2002年，日本SomitomoElectricIndus-tries(SEl)公司也开发出铜/金刚石复合材料，热导率有明显的提高。2006年，日本科学家YasuyukiiAgafi等采用放电等离子烧结法制备出金刚石体积分数为60％的金刚石/铜复合材料，其热导率可达到600W/(m·K)以上。而国内对于金刚石/铜复合材料的研究主要集中于金刚石工具和磨具制造方面，对于金刚石/铜复合材料在电子封装领域的研究还较少，迫切需要给予更多的关注和探索研究，并且在国内关于采用金刚石增强银基体或铝基体复合材料的研究尚未见报道。目前国内外制备方法主要采用粉末冶金法和挤压铸造法和放电等离子烧结法。

国内外关于此类材料的研究主要如下：

[1]黄强，顾明元.电子封装材料的研究现状[J].材料导报，2000，114(9)：28-32.

[2]Zweben C.Advanced materials for optoelectronicpacka-ging[J].Electron packaging prod，2002，42(9)：37-40.

[3]Katsuhito Yoshida，HideakiMorigam.i Thermal properties ofdiamond/copper compositematerial[J].Microelectronics reliability，2004(44)：303-308.

[4]Agari Yasuyuk，i Inour Kanryu.Thermal conductivity of coppercomposites dispersed with diamond particles pre-pared by spark plasmasintering[J].Thernophys prop，2006，27：328-330.

文献1综述了电子封装材料的现状，可以看出现有电子封装材料已经越来越不能满足电子行业对于高集成度芯片散热的需要，急迫需要开发新型的电子封装材料。文献2-4研究了关于作为电子封装用的Cu-金刚石复合材料制备方法与热物理性能，研究结果显示Cu-金刚石具有良好的性能，极具潜力用于下一代电子封装材料。其制备方法分别为热压，热等静压以及电火花烧结等致密方式，其优点是可获得高的致密度及随之带来的良好的热物理性能，缺点是以上几种制备方法均为高成本制备，对于规模化应用有一定难度。同时由于没有很好解决界面结合问题，导致材料力学性能不良。

综上所述，国内外研究金刚石增强金属基复合材料的主要难点：难以获得高致密材料，制备成本昂贵，制备手段难以实现工业化生产。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种高导热性能的电子封装用金刚石增强金属基复合材料及其制备方法，可以获得高致密材料，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如下：

本发明所提供的一种电子封装用金刚石增强金属基复合材料，其包含的组分及体积百分比含量为：金刚石(C)30％～90％，添加元素0.1％～5％，金属基体10％～70％；其中所述添加元素包含以下元素的一种或几种：Zr、Cr、Ti、B。

所述金属基体包括Ag、Cu、Al金属中的一种。

所述金刚石粉末粒度在1～150μm之间。

本发明还提供上述电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，首先按照比例将基体金属粉末、添加元素粉末及金刚石粉末混粉球磨；

所述球磨时间为1h-20h，球料比为1∶1～20∶1。

所述金属基体粉末为Ag、Cu、Al金属粉末中的一种。基体金属粉末占所需制备复合材料总体积的5～30％。

第二步，将球磨后的粉末压制成坯料；

所述将球磨后的粉末压制成坯料，是指在50MPa～150MPa压强下将球磨后的粉末压制成坯料。

第三步，采用相应重量基体金属块与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗；

所述相应重量＝复合材料基体金属总体积-第一步中基体金属粉末体积。

所述基体金属，为Ag、Cu、Al金属中的一种。

所述熔渗，其中金属银的熔渗温度为1000～1250℃，金属铜的熔渗温度为1100～1350℃，金属铝的熔渗温度为700～950℃。熔渗时间依据材料形状厚度决定；熔渗气氛为氢气气氛或惰性气氛。熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度，熔渗速度为2min/mm～5min/mm之间。

第四步，对烧结后的坯料进行复压；

所述复压压强为100～500MPa，复压时间为10秒～1分钟。

本发明添加了Zr、Cr、B、Ti等元素，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，之后此类元素将于金刚石颗粒表面反应生成化合物，所形成的化合物具有高导热性，并且与金属基体有着非常良好的润湿性。因此采用此类元素添加的设计方法，可以实现液相熔渗方法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，具有工艺操作简单的特点，降低了制备成本，同时便于实现工业化生产。金刚石颗粒具有高导热及低膨胀的优良特性，Ag/Al/Cu基体具有优良的高导热特性，添加元素可以改善润湿性，但会降低材料的传导性能。因此金刚石颗粒、微量元素及Ag/Cu/Al基体材料的含量在综合考虑导热性能与热膨胀性能的基础上，选择金刚石(C)30％～90％，添加元素0.1％～5％，金属基体10％～70％。

本发明研制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现有电子封装材料相比，本发明材料导热性能提高100～200W/m.K，热膨胀系数降低2×10^-6/K，密度接近完全致密，可达99％以上的致密度，机械强度在200～500MPa之间。

附图说明

图1为本发明的方法流程图

具体实施方式

以下结合附图对于本发明的实施例进行描述，但是以下实施例只是为了进一步理解本发明技术方案，并不用于限定本发明的范围。以下实施例中含量比例均为体积比。

实施例一

以制备厚度为0.5mm的Ag-30％金刚石为例

首先将30％Ag粉、30％金刚石粉(粒度为150μm)及0.1％的Cr粉混合球磨，球料比为1∶1，球磨时间为20h；

然后将球磨好的粉料在压强为50MPa下压制成坯体；

将压坯与39％Ag金属一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1250℃，熔渗时间＝5min/mm×0.5mm＝2.5分钟，气氛为氢气气氛；

将熔渗完成后样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到30％金刚石增强的银基复合材料，该材料导热率为550W/m.K，热膨胀系数为8.5×10^-6/K，抗弯强度为300MPa。

实施例二

以制备厚度为200mm的Ag-90％金刚石为例

首先将5％Ag粉、90％金刚石粉(粒度为1μm)及5％的B粉混合球磨，球料比为20∶1，球磨时间为1h；

然后将球磨好的粉料在压强为150MPa下压制成坯体；

将压坯与4％Ag金属一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1000℃，熔渗时间＝2min/mm×200mm＝400分钟，气氛为氢气气氛；

将熔渗完成后样品在四柱压机上于100MPa下复压10秒，即可得到90％金刚石增强的银基复合材料，该材料导热率为700W/m.k，热膨胀系数为4.5×10^-6/K，抗弯强度为450MPa。

实施例三

以制备厚度为0.5mm的Cu-30％金刚石为例

首先将30％Cu粉、30％金刚石粉(粒度为150μm)及0.1％的Zr粉混合球磨，球料比为1∶1，球磨时间为20h；

然后将球磨好的粉料在压强为50MPa下压制成坯体；

将压坯与39％Cu金属一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1350℃，熔渗时间＝5min/mm×0.5mm＝2.5分钟，气氛为氢气气氛；

将熔渗完成后样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到30％金刚石增强的铜基复合材料，该材料导热率为450W/m.K，热膨胀系数为9.0×10^-6/K，抗弯强度为350MPa。

实施例四

以制备厚度为200mm的Cu-90％金刚石为例

首先将5％Cu粉、90％金刚石粉(粒度为1μm)及5％的Ti粉混合球磨，球料比为20∶1，球磨时间为1h；

然后将球磨好的粉料在压强为150MPa下压制成坯体；

将压坯与4％Cu金属一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1100℃，熔渗时间＝2分钟/毫米×200毫米＝400分钟，气氛为氢气气氛；

将熔渗完成后样品在100MPa下复压10秒，即可得到90％金刚石增强的铜基复合材料，该材料导热率为650W/m.K，热膨胀系数为5.5×10^-6/K，抗弯强度为500MPa。

实施例五

以制备厚度为0.5mm的Al-30％金刚石为例

首先将30％Al粉、30％金刚石粉(粒度为150μm)及0.1％的Zr粉混合球磨，球料比为1∶1，球磨时间为20h。

然后将球磨好的粉料在压强为50MPa下压制成坯体，

将压坯与39％Al金属一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为950℃，熔渗时间＝5分钟/毫米×0.5毫米＝2.5分钟，气氛为氢气气氛。

将熔渗完成后样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到30％金刚石增强的铝基复合材料，该材料导热率为250W/m.K，热膨胀系数为8.5×10^-6/K，抗弯强度为200MPa。

实施例六

以制备厚度为200mm的Al-90％金刚石为例

首先将5％Al粉、90％金刚石粉(粒度为1μm)、0.5％的Ti粉、2％Cr粉、及2.5％B粉混合球磨，球料比为20∶1，球磨时间为1h。

然后将球磨好的粉料在压强为150MPa下压制成坯体。

将压坯与4％Al金属块一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为700℃，熔渗时间＝2分钟/毫米×200毫米＝400分钟，气氛为氢气气氛。

将熔渗完成后样品在四柱压机上于100MPa下复压10秒，即可得到90％金刚石增强的铜基复合材料，该材料导热率为400W/m.K，热膨胀系数为7.0×10^-6/K，抗弯强度为350MPa。

实施例七

以制备厚度为10mm Ag-50％金刚石为例

首先将15％Ag粉、50％金刚石粉(粒度150μm)、0.3％B、1％Cr粉混合球磨，球料比为1∶1，球磨时间为20h。

然后将球磨好的粉料在压强50MPa下压制成坯体。

将坯体与剩余的35％Ag金属块一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1000℃，熔渗时间＝2分钟/毫米×100毫米＝200分钟，气氛为氢气气氛。

将熔渗完成后样品在四柱压机上于200MPa下复压10秒，即可得到50％金刚石增强的银基复合材料，该材料导热率为450W/m.K，热膨胀系数为7.5×10^-6/K，抗弯强度为380MPa。

实施例八

以制备厚度为10mm Cu-50％金刚石为例

首先将15％Cu粉、50％金刚石粉(粒度30μm)、0.5％B、0.5％Ti粉混合球磨，球料比为5∶1，球磨时间为10h。

然后将球磨好的粉料在压强50MPa下压制成坯体。

将坯体与剩余的34％Cu金属块一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1200℃，熔渗时间＝2分钟/毫米×100毫米＝200分钟，气氛为氢气气氛。

将熔渗完成后样品在四柱压机上于200MPa下复压10秒，即可得到50％金刚石增强的银基复合材料，该材料导热率为400W/m.K，热膨胀系数为7.7×10^-6/K，抗弯强度为300MPa。

实施例九

以制备厚度为10mm Ag-60％金刚石为例

首先将15％Ag粉、60％金刚石粉(粒度10μm)、0.5％B、0.5％Cr、0.5％Ti粉混合球磨，球料比为1∶1，球磨时间为10h。

然后将球磨好的粉料在压强100MPa下压制成坯体。

将坯体与剩余的24.5％Ag金属块一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1100℃，熔渗时间＝3分钟/毫米×100毫米＝300分钟，气氛为氢气气氛。

将熔渗完成后样品在四柱压机上于300MPa下复压15秒，即可得到60％金刚石增强的银基复合材料，该材料导热率为500W/m.K，热膨胀系数为7.0×10^-6/K，抗弯强度为400MPa。

实施例十

以制备厚度为10mm Ag-70％金刚石为例

首先将10％Ag粉、70％金刚石粉(粒度10μm)、0.5％B、0.5％Cr、0.5％Ti、1％Zr粉混合球磨，球料比为2∶1，球磨时间为8h。

然后将球磨好的粉料在压强200MPa下压制成坯体。

将坯体与剩余的17.5％Ag金属块一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1100℃，熔渗时间＝2分钟/毫米×100毫米＝200分钟，气氛为氢气气氛。

将熔渗完成后样品在四柱压机上于350MPa下复压15秒，即可得到70％金刚石增强的银基复合材料，该材料导热率为550W/m.K，热膨胀系数为6.5×10^-6/K，抗弯强度为450MPa。

实施例十一

以制备厚度为10mm Cu-70％金刚石为例

首先将10％Ag粉、70％金刚石粉(粒度10μm)、0.3％B、0.2％Cr、0.5％Ti、1％Zr粉混合球磨，球料比为2∶1，球磨时间为8h。

然后将球磨好的粉料在压强200MPa下压制成坯体。

将坯体与剩余的18％Ag金属块一起在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1100℃，熔渗时间＝2分钟/毫米×100毫米＝200分钟，气氛为氢气气氛。

将熔渗完成后样品在四柱压机上于350MPa下复压15秒，即可得到70％金刚石增强的银基复合材料，该材料导热率为550W/m.K，热膨胀系数为6.5×10^-6/K，抗弯强度为450MPa。

Claims (10)

1.一种电子封装用金刚石增强金属基复合材料，其特征在于，包含的组分及体积百分比含量为：金刚石30％～90％，添加元素0.1％～5％，金属基体10％～70％；其中所述添加元素包含以下元素的一种或几种：Zr、Cr、Ti、B。

2.根据权利要求1所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体包括Ag、Cu、Al金属中的一种。

3.根据权利要求1所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料，其特征在于，所述金刚石粉末平均粒度在1～150μm之间。

4.一种如权利要求1所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，首先按照比例将基体金属粉末、添加元素粉末及金刚石粉末混粉球磨；基体金属粉末占所需制备复合材料总体积比例的5～30％；

第二步，将球磨后的粉末压制成坯料；

第三步，采用相应重量基体金属块与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗；所述相应重量＝复合材料基体金属总体积-第一步中基体金属粉末体积；

第四步，对烧结后的坯料进行复压。

5.如权利要求4所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，第一步中，所述球磨时间为1h-20h，球料比为1∶1～20∶1。

6.如权利要求4所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属基体粉末为Ag、Cu、Al金属粉末中的一种；所述基体金属，为银、铜、铝金属中的一种。

7.如权利要求4所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，第二步中，所述将球磨后的粉末压制成坯料，是指在50MPa～150MPa压强下将球磨后的粉末压制成坯料。

8.如权利要求4所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，第三步中，所述熔渗，其中金属银的熔渗温度为1000～1250℃，金属铜的熔渗温度为1100～1350℃，金属铝的熔渗温度为700～950℃。

9.如权利要求4或8所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，第三步中，所述熔渗，其气氛为氢气气氛或惰性气氛；熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度；熔渗速度为2min/mm～min/mm之间。

10.如权利要求4所述的电子封装用金刚石增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，第四步中，所述复压，其压强为100～500MPa，复压时间为10秒～1分钟。

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