CN102433481B

CN102433481B - 一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法

Info

Publication number: CN102433481B
Application number: CN 201110422575
Authority: CN
Inventors: 宋美慧; 李岩; 于倩
Original assignee: Institute of Advanced Technology of Heilongjiang Academy of Sciences
Current assignee: Harbin branch Coating Technology Co., Ltd.; Institute of Advanced Technology
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102433481A

Abstract

一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法，本发明涉及热沉材料的制备方法。本发明是要解决现有的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备工艺复杂、成本高的技术问题。本发明的AlN颗粒增强铜复合热沉材料是由稀土化合物、AlN颗粒和电解铜制成；其中稀土化合物为Y₂O₃粉末。方法：先将稀土化合物、AlN颗粒、电解铜和硬脂酸球磨，然后预压后得到预制件，再将预制件先预烧，然后再在900～1300℃的温度下焙烧，得到AlN颗粒增强铜复合热沉材料。该材料的热导率在200w/mK以上，致密度在98％以上，热膨胀系数≤14ppm/K，可作为电子封装用热沉材料。

Description

一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法

技术领域

本发明涉及热沉材料的制备方法。

背景技术

随着现代电子技术的飞速发展，大功率电子元器件逐渐向着更高的集成度、更快的运行速度和更大的容量方向发展。这必然会导致电路发热量提高，工作温度不断上升。一般来说，在半导体器件中，温度每升高18℃，失效的可能性就增加2～3倍。为了保证电子元器件工作的可靠性就必须通过热沉或封装材料将产生的热量传导出去，这就要求热沉材料具有高的导热率(一般要求热导率高于120Wm^-1K^-1)。另一方面，由于热沉是直接与半导体芯片相连接，就要求其热膨胀系数要与芯片相匹配，以降低由于热错配应力而引起的电路失效问题。

目前AlN颗粒增强铜(AlNp/Cu)复合材料以其高导热、低膨胀、力学性能优良和易加工等特点而在电子封装的热沉材料领域显示出巨大的应用前景。但AlN与Cu在固态及液态下均不润湿，1100℃时两者之间的润湿角仍在118°以上，并且AlN颗粒本身难分散易团聚，给AlNp/Cu的制备带来困难，并导致复合材料组织均匀性差。德国Fraunhofer应用材料研究中心粉末冶金实验室采用电脉冲烧结技术制备了AlN体积分数在40％，60％和80％的AlNp/Cu复合材料，并对其热物理性能进行了研究。但是由于该方法制备的复合材料致密度较差材料中含有较多的空洞，导致材料的导热性能很差(热导率低于100Wm^-1K^-1)。2004年，日本九州产业技术综合研究所采用粉末冶金方法制备出了高热导率AlNp/Cu复合材料，其中40％AlNp/Cu复合材料的热导率达到235Wm^-1K^-1，而热膨胀系数仅为12.6ppm/K。该方法的关键技术在于，首先采用Y₂O₃粉末对原始多晶AlN粉末进行二次烧结净化处理制备出高导热率AlN单晶粉末，然后将烧结后的单晶陶瓷破碎研磨成纳米颗粒，作为金属基复合材料的增强体。这种方法制备的复合材料虽然性能优良，但是由于制备工艺复杂，需要在高温下(＞1000℃)对AlN陶瓷进行二次净化处理，并需要进行研磨破碎，将已经烧结成为块体材料的AlN再次粉碎成颗粒，而且在AlN二次净化烧结过程中大部分Y₂O₃最终由于高温挥发而流失，这些都增加了产品成本，不利于工业化生产。2010年波兰的电子材料技术学院采用氩气保护热压烧结加后续热压成型工艺制备AlNp/Cu复合材料，材料得到了较高的性能，热导率238.75Wm^-1K^-1。但是该方法也同样存在着材料制备工艺复杂，成本高的问题。

发明内容

本发明是要解决现有的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备工艺复杂、成本高的技术问题，而提供一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料及其制备方法。

本发明的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料是按质量百分比由1％～15％的粒径1～5μm的稀土化合物、10％～70％粒径为5～350μm的AlN颗粒和25％～89％的粒径为5～350μm的电解铜制成；其中稀土化合物为Y₂O₃粉末。

上述的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法按以下步骤进行：

一、按质量百分比称取1％～15％的粒径1～5μm的稀土化合物、10％～70％粒径为5～350μm的AlN颗粒和25％～89％的粒径为5～350μm的电解铜；再按稀土化合物、AlN颗粒和电解铜质量之和的1％～5％称取硬脂酸；其中稀土化合物为Y₂O₃、CaO、Ca₂F和SrO粉末中的一种或几种的组合；

二、将步骤一称取的稀土化合物、AlN颗粒、电解铜和硬脂酸加入到球磨机中，其中球料质量比10∶(1～2)，在氮气或氩气保护下，球磨机以250～300r/min的转速，球磨混合1～10h，得到混合粉末；

三、将步骤二得到的混合粉末放入磨具中，在压力为350～600MPa的条件下保压15min，得到预制件；

四、将步骤三得到的预制件放入焙烧炉中，在氢气保护气氛下，以100～200℃/h的速率升温至500～800℃并保温1～3h，然后随炉冷却至室温，得到预烧件；

五、将步骤四得到的预烧件放入焙烧炉中，在真空气氛或氩气保护下，以100～200℃/h的速率升温至900～1300℃并保温1～3h，然后随炉冷却至室温，得到AlN颗粒增强铜复合热沉材料。

本发明的方法，通过引入稀土化合物增加AlN陶瓷颗粒的烧结活性，提高AlN与铜合金的界面结合能力，同时由于机械混合过程中金属粉末发生晶格畸变、形成大量晶体缺陷和纳米级精细结构，提高了其在烧结过程中的烧结活性，使AlNp/Cu复合材料可以在较低温度下实现高致密度烧结，保证了AlNp/Cu复合材料具有极高的致密度和高的导热性能。机械混合过程中添加硬脂酸可以增加后续预制件压制成型过程中的粉末的流动性，提高预制件和最终烧结复合材料的致密度。本发明制备的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率在200w/mK以上，致密度在98％以上，热膨胀系数≤14ppm/K。可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大在降低。本发明的AlN颗粒增强铜复合热沉材料可作为新一代的电子封装用热沉材料。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料是按质量百分比由1％～15％的粒径1～5μm的稀土化合物、10％～70％粒径为5～350μm的AlN颗粒和25％～89％的粒径为5～350μm的电解铜制成；其中稀土化合物为Y₂O₃、CaO、Ca₂F和SrO粉末中的一种或几种的组合。

本实施方式中当稀土化合物为组合物时，各种稀土化合物按任意比组合。

本实施方式的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率在200w/mK以上，致密度在98％以上，热膨胀系数≤14ppm/K。可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，可作为新一代的电子封装用热沉材料。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是AlN颗粒增强铜复合热沉材料是按质量百分比由5％～10％的粒径2～4μm的稀土化合物、20％～60％粒径为20～300μm的AlN颗粒和30％～75％的粒径为20～300μm的电解铜制成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式一所述的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法按以下步骤进行：

本实施方式制备的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率在200w/mK以上，致密度在98％以上，热膨胀系数≤14ppm/K。可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，可作为新一代的电子封装用热沉材料。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是按质量百分比称取5％～10％的粒径2～4μm的稀土化合物、20％～60％粒径为20～300μm的AlN颗粒和30％～75％的粒径为20～300μm的电解铜。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤一中硬脂酸的质量为稀土化合物、AlN颗粒和电解铜质量之和的2％～4％。其它与具体实施方式三或四相同。

本实施方式中硬脂酸可以增加后续预制件压制成型过程中的粉末的流动性，提高预制件和最终烧结复合材料的致密度，在烧结过程中，硬脂酸挥发，在最终的AlN颗粒增强铜复合热沉材料中不含有硬脂酸成分。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是步骤二中的球料质量比10∶(1.1～1.8)，球磨机的转速为260～280r/min，球磨时间为2～8h。其它与具体实施方式三至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是步骤三的压力为400～500MPa。其它与具体实施方式三至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是步骤四中的升温速率为120～180℃/h，焙烧温度为600～700℃，焙烧时间为1.5～2.5h。其它与具体实施方式三至六之一相同。

本发明用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比称取1％的粒径1μm的Y₂O₃、10％粒径为5μm的AlN颗粒和89％的粒径为350μm的电解铜；再按氧化物、AlN颗粒和电解铜质量之和1％称取硬脂酸；二、将步骤一称取的Y₂O₃、AlN颗粒、电解铜和硬脂酸加入到球磨机中，球料比1∶10；转速250r/min，在氮气保护下，机械混合1h，得到混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末放入磨具中，在压力为350MPa的条件下保压15min，得到预制件；四、将步骤三得到的预制件放入焙烧炉中，在氢气保护气氛下，以150℃/h的速率升温至700℃并保温1h，然后随炉冷却至室温，得到预烧件；五、将步骤四得到的预烧件放入焙烧炉中，抽真空至2×10^-5Pa，然后以150℃/h的速率升温至980℃并保温1.5h，然后随炉冷却至室温，得到AlN颗粒增强铜复合热沉材料。

本试验得到的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率200w/mK，致密度98.2％，热膨胀系数为14ppm/K，可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大大降低。

试验二：本试验的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比称取10％的粒径5μm的Y₂O₃、70％粒径为350μm的AlN颗粒和20％的粒径为250μm的电解铜；再按氧化物、AlN颗粒和电解铜质量之和1％称取硬脂酸；二、将步骤一称取的Y₂O₃、AlN颗粒、电解铜和硬脂酸加入到球磨机中，球料比1∶10；转速250r/min，在氮气保护下，机械混合3h，得到混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末放入磨具中，在压力为600MPa的条件下保压15min，得到预制件；四、将步骤三得到的预制件放入焙烧炉中，在氢气保护气氛下，以250℃/h的速率升温至750℃并保温3h，然后随炉冷却至室温，得到预烧件；五、将步骤四得到的预烧件放入焙烧炉中，抽真空至2×10^-5Pa，然后以200℃/h的速率升温至1300℃并保温3h，然后随炉冷却至室温，得到AlN颗粒增强铜复合热沉材料。

本试验得到的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率300w/mK，致密度98.5％，热膨胀系数为6.2ppm/K，可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大大降低。

试验三：本试验的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比称取4％的粒径1μm的Y₂O₃、33％粒径为20μm的AlN颗粒和63％的粒径为5～350μm的电解铜；再按氧化物、AlN颗粒和电解铜质量之和的1％称取硬脂酸；二、将步骤一称取的Y₂O₃、AlN颗粒、电解铜和硬脂酸加入到球磨机中，球料比1∶10；转速250r/min，在氮气保护下，机械混合2.5h，得到混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末放入磨具中，在压力为500MPa的条件下保压15min，得到预制件；四、将步骤三得到的预制件放入焙烧炉中，在氢气保护气氛下，以150℃/h的速率升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却至室温，得到预烧件；五、将步骤四得到的预烧件放入焙烧炉中，抽真空至2×10^-5Pa，以200℃/h的速率升温至1100℃并保温3h，然后随炉冷却至室温，得到AlN颗粒增强铜复合热沉材料。

本试验得到的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率为240w/mK，致密度为98.2％，热膨胀系数为8.5ppm/K，可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大大降低。

试验四：本试验与试验三不同的是步骤一中AlN粉的粒径50μm、电解铜粉的粒径50μm。其它步骤与参数与试验三相同。本试验得到的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率270w/mK，致密度为98.3％，热膨胀系数为8.6ppm/K，可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大大降低。

试验五：本试验与试验三不同的是步骤一按质量百分比称取2.5％的粒径5μm的CaO、2.5％的粒径5μm的Ca₂F、33％粒径为20μm的AlN颗粒和62％的粒径为350μm的电解铜；其它步骤与参数与试验三相同。本试验得到的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率237w/mK，致密度为98.1％，热膨胀系数为8.7ppm/K，可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大大降低。

试验六：本试验与试验三不同的是步骤一按质量百分比称取2％的粒径5μm的CaO、3％的粒径5μm的Y₂O₃、33％粒径为20μm的AlN颗粒和62％的粒径为150μm的电解铜；其它步骤与参数与试验三相同。本试验得到的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率239w/mK，致密度为99％，热膨胀系数为8.5ppm/K，可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大大降低。

试验五：本试验与试验三不同的是步骤一按质量百分比称取2％的粒径5μm的CaO、2.5％的粒径5μm的Ca₂F、0.5％的粒径5μm的SrO、33％粒径为20μm的AlN颗粒和62％的粒径为350μm的电解铜；其它步骤与参数与试验三相同。本试验得到的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的热导率235w/mK，致密度为98.4％，热膨胀系数为8.5ppm/K，可与目前电子行业常用的半导体材料、陶瓷材料等实现良好的热匹配，而且制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使材料成本大大降低。

Claims

1.一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法，所述的AlN颗粒增强铜复合热沉材料是按质量百分比由1%～15%的粒径1～5μm的稀土化合物、10%～70%粒径为5～350μm的AlN颗粒和25%～89%的粒径为5～350μm的电解铜制成，其中稀土化合物为Y₂O₃粉末，其特征在于AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比称取1%～15%的粒径1～5μm的稀土化合物、10%～70%粒径为5～350μm的AlN颗粒和25%～89%的粒径为5～350μm的电解铜；再按稀土化合物、AlN颗粒和电解铜质量之和的1%～5%称取硬脂酸；其中稀土化合物为Y₂O₃粉末；二、将步骤一称取的稀土化合物、AlN颗粒、电解铜和硬脂酸加入到球磨机中，其中球料质量比10：（1～2），在氮气或氩气保护下，球磨机以250～300r/min的转速，球磨混合1～10h，得到混合粉末；三、将步骤二得到的混合粉末放入磨具中，在压力为350～600MPa的条件下保压15min，得到预制件；四、将步骤三得到的预制件放入焙烧炉中，在氢气保护气氛下，以100～200℃/h的速率升温至500～800℃并保温1～3h，然后随炉冷却至室温，得到预烧件；五、将步骤四得到的预烧件放入焙烧炉中，在真空气氛或氩气保护下，以100～200℃/h的速率升温至900～1300℃并保温1～3h，然后随炉冷却至室温，得到AlN颗粒增强铜复合热沉材料。

2.根据权利要求1所述的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法，其特征在于步骤一中按质量百分比称取5%～10%的粒径2～4μm的稀土化合物、20%～60%粒径为20～300μm的AlN颗粒和30%～75%的粒径为20～300μm的电解铜。

3.根据权利要求2所述的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法，其特征在于步骤一中硬脂酸的质量为稀土化合物、AlN颗粒和电解铜质量之和的2%～4%。

4.根据权利要求3所述的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法，其特征在于步骤二中的球料质量比10：（1.1～1.8），球磨机的转速为260～280r/min，球磨时间为2～8h。

5.根据权利要求4所述的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法，其特征在于步骤三的压力为400～500MPa。

6.根据权利要求5所述的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法，其特征在于步骤四中的升温速率为120～180℃/h，焙烧温度为600～700℃，焙烧时间为1.5～2.5h。