CN103103403A

CN103103403A - 一种电子封装材料

Info

Publication number: CN103103403A
Application number: CN2013100281566A
Authority: CN
Inventors: 王青; 王亚平; 郭永利
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-05-15

Abstract

一种电子封装材料，其特征在于，由基体和增强体组成，基体为铝、铜、铝合金或铜合金，增强体为占总质量百分比的0.5－30％石墨烯，石墨烯为层数1～20、1～5000μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状；所述铝或铜金属中包含有Cr、Fe、Ti、W、B、或Mo元素，Cr、Fe、Ti、W、B、或Mo元素含量为0.05％～1％；本发明的优点是：高导热，高强度，低密度，环保，可加工性能好；作为电子封装材料，此复合材料有优异的性能，具有良好的应用前景。

Description

一种电子封装材料

技术领域

本发明涉及材料科学，特别涉及以铝或铜为基体，以石墨烯为添加剂的一种电子封装材料。

技术背景

在微电子集成电路中，高度密集的微小元件在工作中产生大量热量，芯片和封装材料之间的热膨胀系数不匹配会引起热应力疲劳，而且封装材料的散热性能不佳会导致芯片过热，两者已经成为电子电路器件的主要失效形式。根据集成电路的发展要求及电子元器件的工作环境，理想的电子封装材料必须满足以下基本要求：

1）较低的热膨胀系数（CTE），能与Si，GaAs等半导体材料相匹配

2）热导率优良

3）低密度

4）气密性好

5）强度和刚度高

6）良好的加工性能和焊接性能

7）易于进行电镀

8）成本低廉

常用的电子封装材料主要有：Al₂O₃、BeO、AlN、Al、Cu、W、Kovar、W-Cu等，然而这些传统材料已经不能满足电子封装材料的性能要求，Al₂O₃与Kovar的热膨胀系数与Si，GaAs匹配，但热导率太低；BeO的热导系数与GaAs接近并具有良好的热导特性，但有剧毒；Al、Cu具有高热导率，但热膨胀系数太大；W-Cu密度太大，AlN存在加工、电镀性能差等问题。

金属基复合材料（MMC，Metal-Matrix Composites）可以将金属基体的导热性能和第二相增强体材料的低膨胀系数结合起来，获得综合性能良好的复合材料。

石墨烯是世界上最坚固的材料(杨氏模量1.7TPa),理论比表面积高达2630m²/g，具有良好的导热性(5000W/(m.k))和室温下高速的电子迁移率(200000cm²/(V.s))。同时，其独特的结构使其具有完美的量子霍尔效应、独特的量子隧道效应、双极电场效应等特殊的性质。由于石墨烯优异的性能，极大的比表面积和较低的生产成本(相对于碳纳米管),非常适合于开发高性能的复合材料。石墨烯各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形来适应外力，而不必使碳原子重新排列，这样就保持了结构的稳定。石墨烯中的电子在轨道中运动时，不会因晶格缺陷或掺杂原子而发生散射。由于原子间作用力较强，即使在常温下周围碳原子间发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

基于石墨烯这些优良的性能，如果将其添加在金属铝或铜中制成电子封装材料，将大大提高材料的电导率；石墨烯密度小，得到的复合材料的密度比金属基体低；热膨胀系数小；同时解决电子封装复合材料中的界面润湿问题，有利于降低界面热阻；易于加工。因此，石墨烯金属基复合材料对于电子封装领域有广阔的应用前景。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电子封装材料，是一种采用石墨烯作为第二相的铜基或铝基电子封装材料，具有性能良好、易开发、易加工、成本低的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种电子封装材料，由基体和增强体组成，基体为铝、铜、铝合金或铜合金，增强体为占总质量百分比的0.5－30％石墨烯，石墨烯为层数1～20、1～5000μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状。

所述的基体中包含有Cr、Fe、Ti、W、B、或Mo元素，Cr、Fe、Ti、W、B、或Mo元素含量占基体质量0.05％～1％。

优选地，增强体石墨烯质量百分比为5～20％。

本发明的优势是：

1、通过现有工艺：粉末冶金、溶渗、压铸法等工艺手段从而得到一种新型的电子封装材料，无需开发新的工艺。

2、作为电子封装材料，具有良好的性能，不仅具有优异的导热性能，更大大降低铝、铜复合材料的热膨胀系数，实现与半导体硅的热膨胀相近，降低了半导体器件与封装材料之间产生热应力及热裂纹的可能性，解决了金属基电子封装复合材料中常见的润湿性问题。同时，材料刚度和硬度好，轻质，易于加工。

3、铝、铜作为常见的金属材料，在地壳中含量丰富，易于开发，广泛应用于各行各业，作为电子封装材料的选材，成本低。

4、金属中含有Cr、Fe、Ti、W、B、或Mo等元素可以有效改善金属与石墨烯之间的界面结合，降低材料的界面热阻。金属铝或铜热导率较高，热膨胀系数也高，加入的石墨烯是热导率高，热膨胀系数低的材料；铝、铜不仅有比强度高，比刚度高等特点，而且，铝、铜是除铁以外最廉价、最常用的金属，作为电子封装材料的选材，具有很好的开发应用潜力。

具体实施方式

实施例一

一种电子封装材料，由基体和增强体组成，基体为金属铝，增强体为占总质量百分比的10％％石墨烯，石墨烯为层数1～5、50～200μm²微小片状，金属铝中Cr占其质量百分比为0.5％。

本实施例获得石墨烯均匀分布在铝基体内的电子封装材料。

实施例二

一种电子封装材料，由基体和增强体组成，基体为金属铜，增强体为占总质量百分比的0.5％石墨烯，石墨烯为层数3～7、200～500μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状，金属铜中Ti占其质量百分比为0.2％。

本实施例获得石墨烯均匀在铜基体内分布的电子封装材料。

实施例三

一种电子封装材料，由基体和增强体组成，基体为铝硅合金，铝硅合金中硅的质量百分比为8%，增强体为占总质量百分比的15％石墨烯，石墨烯为层数1～5、1～5μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状，铝硅合金中Fe占其质量百分比为0.3％。

本实施例获得石墨烯均匀分布在铝硅基体内的电子封装材料。实施例四

一种电子封装材料，由基体和增强体组成，基体为铜硅合金，铜硅合金中硅的质量百分比为20%，增强体为占总质量百分比的10％石墨烯，石墨烯为层数1～5、1～5μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状，铜硅合金中Fe占其质量百分比为0.5％。

本实施例获得石墨烯均匀在铜硅基体中分布的电子封装材料。

Claims

1.一种电子封装材料，其特征在于，由基体和增强体组成，基体为铝、铜、铝合金或铜合金，增强体为占总质量百分比的0.5－30％石墨烯，石墨烯为层数1～20、1～5000μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状；

2.根据权利要求1所述的一种电子封装材料，其特征在于，增强体石墨烯质量百分比为5～20％。

3.根据权利要求1所述的一种电子封装材料，其特征在于，由基体和增强体组成，基体为金属铝，增强体为占总质量百分比的10％％石墨烯，石墨烯为层数1～5、50～200μm²微小片状，金属铝中Cr占其质量百分比为0.5％。

4.根据权利要求1所述的一种电子封装材料，其特征在于，由基体和增强体组成，基体为金属铜，增强体为占总质量百分比的0.5％石墨烯，石墨烯为层数3～7、200～500μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状，金属铜中Ti占其质量百分比为0.2％。

5.根据权利要求1所述的一种电子封装材料，其特征在于，由基体和增强体组成，基体为铝硅合金，铝硅合金中硅的质量百分比为8%，增强体为占总质量百分比的15％石墨烯，石墨烯为层数1～5、1～5μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状，铝硅合金中Fe占其质量百分比为0.3％。

6.根据权利要求1所述的一种电子封装材料，其特征在于，由基体和增强体组成，基体为铜硅合金，铜硅合金中硅的质量百分比为20%，增强体为占总质量百分比的10％石墨烯，石墨烯为层数1～5、1～5μm²微小片状或面积在1mm²以上的片状，铜硅合金中Fe占其质量百分比为0.5％。