CN103187131B - 一种高导热绝缘复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高导热绝缘复合材料及其制备方法，属于电子封装技术领域。该材料由高导热复合材料及镀于其上的绝缘层组成，高导热复合材料为增强颗粒或纤维与基体的复合材料，基体为铜、铝或银，绝缘层为金刚石、氮化铝或氮化硼等陶瓷膜，或者金刚石与氮化铝或氮化硼的复合膜。该复合材料是在高导热复合材料的基础上采用化学气相沉积技术在其表面沉积绝缘薄膜制备而成。本发明中的高导热绝缘复合材料解决了高导热复合材料在特定绝缘性能要求的应用场合的高导热绝缘的问题，适用于集成电路系统、高功率或高功率密度器件等。

Description

一种高导热绝缘复合材料及其制备方法
技术领域
本发明专利涉及一种高导热绝缘复合材料及其制备方法，属于电子封装材料技术领域。
背景技术
近年来，微电子器件正向高性能、高集成度的方向发展，与之伴随的是电子元件的发热功率不断提高，各类微电子技术应用领域也对热管理材料产生了进一步的需求和依赖。尽管金刚石/铜、SiC/Al等复合材料作为新一代的热管理材料，具有较高的热导率和适宜的热膨胀系数，但由于金属基体的存在，并不能用于要求特定绝缘或介电性能的应用场合。例如集成电路基板除了要有电绝缘性外，还要求材料具有高的热导率，以便将热量及时散发出去，满足大功率的要求。与此同时，集成电路封装基板存在分布电容，对超高频信号产生延迟，其延迟时间(L为信号传送距离，ε为基片或绝缘层的介电常数，c为真空中的光速)，这就要求基板材料应具有低的介电系数。因而，在此应用场合下，高导热复合材料已不能满足低介电系数、电绝缘性良好的性能要求。
发明内容
目前集成电路基板除了要有电绝缘性外，还要求材料具有高的热导率，以便将热量及时散发出去，满足大功率的要求。与此同时，集成电路封装基板存在分布电容，对超高频信号产生延迟，这就要求基板材料应具有低的介电系数。因而，在此应用场合下，需要一种兼具高导热与绝缘性能的复合材料。本发明为了解决现有高导热复合材料不适于具有高热导率、低介电常数、电绝缘性的特定应用场合的需求，提供了一种高导热绝缘复合材料。
本发明的高导热绝缘复合材料由高导热复合材料及镀于其上的绝缘层组成，所述的高导热复合材料为增强颗粒或纤维与基体的复合材料，所述基体为铜、铝或银等，所述的绝缘层为的金刚石、氮化铝或氮化硼等陶瓷膜，或者金刚石与氮化铝或氮化硼的复合膜。
所述的增强体或纤维为金刚石、碳纤维、金刚石混杂颗粒、碳纤维混杂颗粒及其他颗粒或纤维，与基体铜、铝或银形成高导热、低膨胀的复合材料。
优选的，所述高导热复合材料中，所述的增强颗粒或纤维与所述基体的体积百分比为(25％～70％)：1，即两者的体积比为(25～70)：100。
优选的，所述的绝缘层的厚度范围为50μm～400μm。
本发明还提供了一种上述高导热绝缘复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备高导热复合材料；
(2)对高导热复合材料进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；
(3)在高导热复合材料上沉积碳化物形成元素或离子注入碳层；
(4)采用化学气相沉积技术(CVD)或磁控溅射技术在高导热复合材料表面沉积绝缘膜。
所述的高导热复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂颗粒/铜、碳纤维混杂颗粒/铜、金刚石/铝、金刚石/银及其他颗粒或纤维增强的铜、铝或银高导热、低膨胀的复合材料，增强颗粒或纤维与基体的体积百分比优选为(25％～70％)：100％。
所述的绝缘层为金刚石、氮化铝、氮化硼等其他陶瓷膜，或者金刚石与氮化铝或氮化硼的复合膜。
优选的，所述绝缘膜的厚度范围为50μm～400μm。
优选的，所述化学气相沉积的速率超过10μm/小时。本发明的高导热绝缘复合材料采用CVD技术在高导热复合材料表面沉积绝缘薄膜，得到具有绝缘薄膜包覆的高导热复合材料。
本发明在高导热复合材料表面沉积绝缘薄膜，一方面高导热复合材料具有较高的导热率，能够将电子器件中的热量快速散发出去，另一方面，绝缘薄膜作为微结构材料，除了具有高热导率、低密度、高强度、耐磨损、抗腐蚀的优良性能外，还拥有电绝缘性和低介电系数等性质。因此采用CVD技术在高导热复合材料表面沉积绝缘薄膜，得到具有绝缘薄膜包覆的高导热复合材料可用于同时要求具有高热导率、低介电常数、电绝缘性的应用场合。本发明中的高导热绝缘复合材料解决了高导热复合材料在特定绝缘性能要求的应用场合的高导热绝缘的问题，适用于集成电路系统、高功率或高功率密度器件等。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
实施例1
高导热绝缘复合材料的制备方法包括以下几个步骤：
步骤一：制备金刚石/铜复合材料试样，金刚石与铜的体积比为65％：1，将其加工成的圆柱体，一般而言，复合材料试样的形状不限定，且不限于任何厚度，但以3mm以上为较佳的厚度；
步骤二：对高导热复合材料试样进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；
步骤三：采用离子注入技术在高导热复合材料试样表面注入碳层；碳层作为过渡层，厚度在1μm以下，通常为几十纳米；
步骤四：采用磁控溅射技术在高导热复合材料表面沉积绝缘AlN薄膜，厚度为100μm。
沉积AlN薄膜后复合材料体积电阻率为1011Ωcm，介电损耗Tanδ≦1.3×10-2(1MHz)，导热率420W/mK。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点在于绝缘薄膜采用CVD技术制备金刚石薄膜，化学气相沉积速率超过10μm/小时，厚度为100μm，其他制备步骤与实施例1相同。
沉积金刚石膜后复合材料Tanδ≦6.8×10-2(1MHz)，体积电阻率为109Ωcm，导热率560W/mK。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点在于绝缘薄膜采用AlN及CVD金刚石复合膜，先沉积50μm的AlN薄膜，然后再沉积50μm金刚石薄膜，化学气相沉积速率超过10μm/小时，其他制备步骤与实施例1相同。沉积复合膜后，体积电阻率为1011Ωcm，介电损耗Tanδ≦6.3×10-3(1MHz)，导热率480W/mK。
本发明制备方法中，高导热复合材料除了实施例中采用的金刚石/铜以外，还可以使用碳纤维/铜、金刚石混杂颗粒/铜、碳纤维混杂颗粒/铜、金刚石/铝、金刚石/银及其他颗粒或纤维增强的铜、铝或银高导热、低膨胀的复合材料；绝缘层除了实施例中采用的为氮化铝膜、金刚石膜和金刚石与氮化铝复合膜以外，还可以使用氮化硼等其他陶瓷膜，或者金刚石与氮化硼的复合膜。高导热复合材料中增强颗粒或纤维与基体的体积百分比可在(25％～70％)：100％之间选择，绝缘层的厚度范围在50μm～400μm之间，均可获得本发明的高导热绝缘复合材料，具有高热导率、低密度、高强度、耐磨损、抗腐蚀的优良性能，同时具有电绝缘性和低介电系数等特点。本发明中的高导热绝缘复合材料解决了高导热复合材料在特定绝缘性能要求的应用场合的高导热绝缘的问题，适用于集成电路系统、高功率或高功率密度器件等。

Claims (10)

1.一种高导热绝缘复合材料，其特征在于：它由高导热复合材料及镀于其上的绝缘层组成，所述的高导热复合材料为增强颗粒或纤维与基体的复合材料，所述基体为铜、铝或银，所述的绝缘层为金刚石、氮化铝或氮化硼陶瓷膜，或者金刚石与氮化铝或氮化硼的复合膜。
2.根据权利要求1所述的高导热绝缘复合材料，其特征在于：所述的增强颗粒或纤维为金刚石、碳纤维、金刚石混杂颗粒或碳纤维混杂颗粒。
3.根据权利要求1所述的高导热绝缘复合材料，其特征在于：所述的增强颗粒或纤维与所述基体的体积百分比为25%~70%：1。
4.根据权利要求1所述的高导热绝缘复合材料，其特征在于：所述绝缘层的厚度为50μm~400μm。
5.权利要求1-4中任一项所述的高导热绝缘复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备高导热复合材料；
（2）对高导热复合材料进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；
（3）在高导热复合材料上沉积碳化物形成元素或离子注入碳层；
（4）采用化学气相沉积或磁控溅射在沉积碳化物形成元素或离子注入碳层的高导热复合材料表面沉积绝缘膜。
6.根据权利要求5所述的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于：所述的高导热复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂颗粒/铜、碳纤维混杂颗粒/铜、金刚石/铝或金刚石/银复合材料。
7.根据权利要求6所述的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于：所述的高导热复合材料中，增强颗粒或纤维与基体的体积百分比为25%~70%：1。
8.根据权利要求5所述的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于：所述的绝缘膜为金刚石膜、氮化铝膜、氮化硼膜、或者金刚石与氮化铝或氮化硼的复合膜。
9.根据权利要求8所述的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于：所述绝缘膜的厚度范围为50μm~400μm。
10.根据权利要求5所述的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉积的速率大于10mm/小时。
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