CN102690120B - 一种高热导率电子封装材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高热导率电子封装材料，通过下述步骤制得：1)选择粒度为18～23μm的金刚石，粒度为40～45μm、纯度在99.99%的硅粉作为初始材料，并且添加钛粉和氮化铝作为烧结促进剂；金刚石、硅粉、钛粉、氮化铝的重量份数比为19.6～30.4：27.2～33.3：0.53～0.93：0.5~1.3；2)将上述组分充分混合均匀后；3)选择φ20mm的石墨模具，将上述混合物装入石墨容器并放入放电等离子烧结炉；4)在放电等离子烧结炉抽真空，当真空度达到12~15Pa以下开始快速烧结；5）烧结过程中所加压力为35～39MPa，升温速度为80~120℃/分钟，烧结温度设定为1280～1320℃，达到烧结温度后保持4-5分钟，并在真空或惰性气体环境下烧结；6)烧结结束后对产品进行随炉冷却并在900-950℃时卸掉压力。本发明的有益效果在于，设备和工艺简单、合成温度低，并且最大程度地提高产品致密度、减少产品微裂纹，产品的热导率高，综合性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子封装材料，尤其涉及一种通过快速烧结法并以辅助剂制得的金刚石-硅复合材料。
背景技术
现代科学技术的发展对材料的要求日益提高。在电子封装领域，随着电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高，开发性能优异，可满足各种要求的电子元器件封装基片已成为当务之急。
电子封装基片材料是一种底座电子元件，用于承载电子元器件及其相互联线，并具有良好电绝缘性的基体。因此封装基片必须和置于其上的元器件在电学性质、物理性质、化学性质方面保持良好的匹配。通常，封装基片应具备如下性质：(1)导热性能良好。导热性是电子封装基片材料的主要性能指标之一。如果封装基片不能及时散热将影响电子设备的寿命和运行状况另外，温度分布不均匀也会导致电子器件噪声大大增加；(2)线膨胀系数匹配(主要与Si和GaAs)。若二者热膨胀系数相差较大，电子器件工作时的快速热循环易引入热应力而导致失效；(3)高频特性良好，即低的介电常数和低的介质损耗。因为在高速传输信号的布线电路上，信号延迟时间与基片材料介电常数平方根成正比。为满足用作高速传输速度器件的要求，要求封装基片材料介电常数低。另外，电子封装基片还应具有机械性能高、电绝缘性能好、化学性质稳定(对电镀处理液、布线用金属材料的腐蚀而言)、易于加工等特点。当然，在实际应用和大规模工业生产中，价格因素也是不可忽视的一个方面。
电子封装基片材料的种类很多，常用材料包括：陶瓷、金属及金属基复合材料、金刚石等。有些材料已经在电子封装上取得了较为成熟的应用。但就前面提到的各种性能要求而言，多数材料都不能满足上述所有要求。
陶瓷材料是电子封装中常用的一种基片材料，其主要优点在于：高的绝缘性能和优异的高频特性，具有和元器件相近的线膨胀率，很高的化学稳定性和较好的热导率(λ)，此外，陶瓷材料还具有良好的综合性能，广泛用于混合集成电路(HIC)和多芯片模件(MCM)陶瓷封装常为多层陶瓷基片(MLC)。这种技术开始于1961年JL Park发明的流延工艺专利，而陶瓷封装的创始人被认为是Bernard Schwartz，因他领导的研究室开发并拥有许多有关MLC的封装技术专利。从60年代至今，美、日等发达国家相继研究并推出叠片多层陶瓷基片及封装材料和工艺，陶瓷基片已是当今世界上广泛应用的几种高技术陶瓷之一。目前，已用于实际生产和开发应用的高导热陶瓷基片材料主要包括Al2O3、AlN、SiC、和BeO等。
用于封装基片的金属基复合材料主要为Cu基和Al基复合材料。Cu基复合材料采用C纤维、B纤维等、SiC颗粒等材料做增强体，得到的纤维增强的低膨胀、高导热Cu基复合材料具有较好的综合性能。例如P130石墨纤维增强Cu基复合材料的面膨胀系数为6.5×10 -6/K，并保持着较高的热导率Cu中还可以加入W、Mo和低膨胀合金(如FeNi合金)等粉末。制作W/Cu或Mo/Cu复合材料时，将Cu渗入到多孔的W、Mo烧结块中，以保持各相的连续性。这种材料的线膨胀系数可以根据组元相对含量的变化进行调整，然而，铜基体材料存在润湿性低、热膨胀系数及密度均较高等问题。铝基复合材料不仅具有比强度、比刚度高等特点，而且导热性能好、线膨胀系数可调、密度较低，作为电子封装元器件的选材，常用的增强体包括C、B、碳化物(如SiC、TiC)、氮化物(如Si3N4)和氧化物(如Al2O3、SiO2)，基体合金则可为纯Al或合金。由于铝合金本身的线膨胀系数较大，为使其线膨胀系数与Si、Ge、GaAs等半导体材料相近，常常不得不采用高体积分数的增强体与其复合，添加量甚至高达70%。
天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的最优异的性质，如高的热导率(2000 W/m·K，25℃) 、低介电常数(5.5)、高电阻率(1016Ω·cm)和击穿场强(1000 kV/ mm) 。从本世纪60 年代起，微电子界开始利用金刚石作为半导体器件封装基片的努力，并将金刚石作为散热材料，用在微波雪崩二极管、Ge IMPATT 和激光器上，成功地改进了它们的输出功率。但是，天然金刚石或高温高压下合成金刚石高昂的价格和尺寸的限制，使这种技术无法大规模推广。较理想的是用金刚石颗粒作为增强体制备复合材料，高纯硅材料具有较低的密度、较高的导热性能和较低的热膨胀系数，硅与金刚石润湿性良好，烧结过程中在硅和金刚石界面处生成碳化硅，降低了界面热阻。因此，目前金刚石/碳化硅复合材料成为电子封装材料研究的热点之一。
由于金刚石在高温时容易石墨化，现有技术制备金刚石-碳化硅复合材料采用的是熔渗法，具体是将金刚石和硅粉分层组装，并加压到非常高的压力值，再在高温下进行烧结，该方法对生产环境、生产设备以及操作工艺要求极高，产品成品率低，制造成本非常高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高热导率电子封装材料，该复合材料界面接触牢固，制备工艺简单，致密度及热学性能均显著提高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方是：一种高热导率电子封装材料，其特征在于，其各组分的重量比为：C：Si：Al：N为19.6～30.4：27.2～33.3：1.02～3.5：0.17~0.4；并且，该材料通过以下步骤制得：
1)选择粒度为18～23μm的金刚石，粒度为40～45μm、纯度在99. 99%的硅粉作为初始材料，并且添加钛粉和氮化铝作为烧结促进剂；金刚石、硅粉、钛粉、氮化铝的重量份数比为19.6～30.4：27.2～33.3：0.53～0.93：0.5~1.3；
2)将上述组分充分混合均匀后；
3)选择φ20 mm的石墨模具，将上述混合物装入石墨容器并放入放电等离子烧结炉；
4)在放电等离子烧结炉抽真空，当真空度达到12~15Pa以下开始快速烧结；
5）烧结过程中所加压力为35～39MPa，升温速度为80~120℃/分钟，烧结温度设定为1280～1320℃，达到烧结温度后保持4-5分钟，并在真空或惰性气体环境下烧结；
6)烧结结束后对产品进行随炉冷却并在900-950℃时卸掉压力。
放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering ,SPS) 是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术,它融等离子活化、热压为一体,具有升温速度快、烧结时间短、冷却迅速、外加压力和烧结气氛可控、节能环保等特点,可放电等离子烧结设备类似于热压烧结炉,所不同的是给一个承压导电模具加上可控脉冲电流,通过调节脉冲直流电的大小控制升温速度和烧结温度。目前还未见将放电等离子烧结技术用于制备金刚石-硅复合材料的报道。
本发明将放电等离子烧结具体运用于金刚石-硅复合材料的制备，使硅基体颗粒在烧结过程与金刚石颗粒在硅熔点之下发生原位化学反应，生成界面碳化硅层。而且本发明通过大量试验，选择了最佳的组分配比和工艺参数，能在极短时间使样品致密化，有效阻止了金刚石石墨化。此外，通过添加钛粉和氮化铝作为助剂，降低了硅的熔点，从而降低了烧结温度提高了烧结致密度，而且与铝粉相比，使用钛粉可以增加产品的热导率，同时氮化铝阻止金刚石石墨化。
本发明的有益效果在于，设备和工艺简单、合成温度低，并且所制得的复合材料致密度达99％以上，热导率为510-540W/mK，从而最大程度地提高产品致密度、减少产品微裂纹，产品的热导率高，综合性能良好。
具体实施方式
以下通过具体实施例来阐述本发明的技术方案，其中，本发明中快速烧结所采用的放电等离子烧结炉(SPS)，是日本住友石碳矿业株式会社生产的Dr Sinter , SPS - 1050 放电等离子烧结炉。
实施例1：
1)选择粒度为19μm的金刚石，粒度为40μm、纯度在99. 99%的硅粉作为初始材料，并且添加钛粉和氮化铝作为烧结促进剂；金刚石、硅粉、钛粉、氮化铝的重量份数比为19.6： 33.3： 0.93：0.5；
2)将上述组分充分混合均匀后；
3)选择φ20 mm的石墨模具，将上述混合物装入石墨容器并放入放电等离子烧结炉；
4)在放电等离子烧结炉抽真空，当真空度达到12Pa以下开始快速烧结；
5）烧结过程中所加压力为35MPa，升温速度为120℃/分钟，烧结温度设定为1280℃，达到烧结温度后保持4分钟，并在真空或惰性气体环境下烧结；
6)烧结结束后对产品进行随炉冷却并在950℃时卸掉压力。
经测试，得到的产品的致密度为99.2％以上，热导率为529W/mK。
实施例2：
1)选择粒度为23μm的金刚石，粒度为45μm、纯度在99. 99%的硅粉作为初始材料，并且添加钛粉和氮化铝作为烧结促进剂；金刚石、硅粉、钛粉、氮化铝的重量份数比为30.4：27.2：0.53： 1.3；
2)将上述组分充分混合均匀后；
3)选择φ20 mm的石墨模具，将上述混合物装入石墨容器并放入放电等离子烧结炉；
4)在放电等离子烧结炉抽真空，当真空度达到15Pa以下开始快速烧结；
5）烧结过程中所加压力为35MPa，升温速度为80℃/分钟，烧结温度设定为1320℃，达到烧结温度后保持5分钟，并在真空或惰性气体环境下烧结；
6)烧结结束后对产品进行随炉冷却并在900℃时卸掉压力。
经测试，其致密度为99.3％以上，热导率为531W/mK。
实施例3：
1)选择粒度为21μm的金刚石，粒度为43μm、纯度在99. 99%的硅粉作为初始材料，并且添加钛粉和氮化铝作为烧结促进剂；金刚石、硅粉、钛粉、氮化铝的重量份数比为21.1：30.2：0.7：0.9；
2)将上述组分充分混合均匀后；
3)选择φ20 mm的石墨模具，将上述混合物装入石墨容器并放入放电等离子烧结炉；
4)在放电等离子烧结炉抽真空，当真空度达到12Pa以下开始快速烧结；
5）烧结过程中所加压力为38MPa，升温速度为100℃/分钟，烧结温度设定为1300℃，达到烧结温度后保持5分钟，并在真空或惰性气体环境下烧结；
6)烧结结束后对产品进行随炉冷却并在940℃时卸掉压力。
经测试，其致密度为99.5％以上，热导率为523W/mK。
Claims (1)
1.一种高热导率电子封装材料，其特征在于，其各原子组分的重量比为：C：Si：Ti：Al：N为19.6～30.4：27.2～33.3：0.53~0.93：0.34~0.8：0.17~0.4；并且，该材料通过以下步骤制得：
1)选择粒度为18～23μm的金刚石，粒度为40～45μm、纯度在99. 99%的硅粉作为初始材料，并且添加钛粉和氮化铝作为烧结促进剂；金刚石、硅粉、钛粉、氮化铝的重量份数比为19.6～30.4：27.2～33.3：0.53～0.93：0.5~1.3；
2)将上述组分充分混合均匀后；
3)选择φ20 mm的石墨模具，将上述混合物装入石墨容器并放入放电等离子烧结炉；
4)在放电等离子烧结炉抽真空，当真空度达到12~15Pa以下开始快速烧结；
5）烧结过程中所加压力为35～39MPa，升温速度为80~120℃/分钟，烧结温度设定为1280～1320℃，达到烧结温度后保持4-5分钟，并在真空或惰性气体环境下烧结；
6)烧结结束后对产品进行随炉冷却并在900-950℃时卸掉压力，得到产品，产品的性能为：致密度为99%以上，热导率为510-540W/mK。
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