CN104733399A - 一种层状高导热绝缘基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电子技术领域的一种层状高导热绝缘基板及其制备方法。本发明的高导热绝缘基板由高导热复合材料基体及其上沉积的绝缘膜层所组成，该高导热绝缘基板是在高导热复合材料的基础上采用物理或化学方法在其表面沉积绝缘薄膜制备而成。该绝缘基板除具有高导热、低热膨胀系数、高强度、良好的尺寸稳定性能外，还具有高击穿强度、高介电常数等性质。本发明中的高导热绝缘基板解决了电子封装基板在保持基材良好的散热基础上对绝缘作用的需求。

Description

一种层状高导热绝缘基板及其制备方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种层状高导热绝缘基板及其制备方法。

背景技术

由于集成电路的集成度迅猛增加，导致芯片发热量急剧上升，使得芯片寿命下降，其原因是因为在微电子集成电路以及大功率整流器件中，材料之间散热性能不佳而导致的热疲劳以及热膨胀系数不匹配而引起的热应力造成的。解决该问题的关键是进行合理的封装。从目前电子封装技术发展趋势来看，单一基体的各种封装材料无法满足各方面性能的综合要求。金属基复合材料能够全面满足如上的要求。尤其适于现代化高速发展的功率混合集成电路，微波毫米波集成电路，多芯片组件和大电流功率模块的功率封装及作为散热片应用。

电子封装对基板绝缘特性有要求，在制备金属或金属基复合封装材料的同时，需要开发相应的绝缘材料，在保持基材良好的散热基础上，还需要起到绝缘作用，阻断电子向基材的传输，还要求绝缘材料具有较低的介电损耗。

传统的高导热绝缘基板为覆铜板生产方式的半固化片作为绝缘层的金属基板，如采用环氧-玻璃布基（FR-4）的半固化片（导热系数仅为0.3W/m·K），但是该绝缘层之中没有添加任何的导热填料，这种基板的绝缘层不具备高的热传导性，也不具备高强度的电气绝缘性能。另外还可以将选用的绝缘材料通过喷淋、刮涂、刷涂或漏印等方法涂覆于处理好的金属板材的表面，制成半固态的涂胶膜，再通过与铜箔叠合后，经高温压合形成金属基板；或者将所用的绝缘材料体系首先制成半固化态的绝缘介质胶膜，再通过与铜箔叠合后，经高温压合形成金属基板，但是这些绝缘材料的导热系数均很低，不能满足基板高导热的需要，因此，为了同时兼具高导热与良好的绝缘性能，满足电子设备的高性能要求，寻找一种新型的高导热绝缘复合材料的制备方法具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

发明内容

本发明为了解决高导热基板对绝缘的要求，提出了一种层状高导热绝缘基板的制备方法。

一种层状高导热绝缘基板，在基体上沉积绝缘层，所述的基体为颗粒或纤维增强的铜、铝或银的复合材料，其中增强颗粒或纤维的体积分数为25%～70%，所述的绝缘层为单层绝缘膜或多层绝缘膜，绝缘层厚度为1μm～10μm，其中多层绝缘膜每层的厚度为200nm-5μm。

基体与绝缘层之间具有过渡层，所述过渡层的厚度为100nm～1μm；所述过渡层的材料为碳化物形成元素钛、铬或硼。

所述的复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银或碳纤维混杂SiC颗粒/银的复合材料。

所述的单层绝缘膜为CVD金刚石膜、氮化铝膜或氮化硼膜。

所述的多层绝缘膜为多层绝缘膜为CVD金刚石和氮化铝的多层膜、氮化铝和氮化硼的多层膜、CVD金刚石和氮化硼的多层膜或者其他高导热陶瓷多层膜

一种层状高导热绝缘基板的制备方法，包括如下几个步骤：

步骤一：采用压力浸渗、粉末冶金或XPS方法制备颗粒或纤维增强铜、铝或者银的复合材料基体，增强颗粒或纤维的体积分数为25%～70%；

步骤二：对复合材料基体进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；

步骤三：采用化学气相沉积技术、磁控溅射技术或物理气相沉积技术在基体上沉积碳化物形成元素钛、铬或硼的过渡层，过渡层厚度为100nm～1μm；

步骤四：采用化学气相沉积技术、磁控溅射技术或物理气相沉积技术在上述基体表面沉积单层绝缘膜或交替沉积多层绝缘膜，绝缘层的厚度为1μm～10μm。

所述复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银或碳纤维混杂SiC颗粒/银的复合材料。

所述沉积单层绝缘膜或交替沉积多层绝缘膜，单层绝缘膜为CVD金刚石膜、氮化铝膜、氮化硼膜或者其他高导热陶瓷膜，多层绝缘膜为CVD金刚石和氮化铝的多层膜、氮化铝和氮化硼的多层膜、CVD金刚石和氮化硼的多层膜或者其他高导热陶瓷多层膜。

本发明的有益效果为：在高导热复合材料上沉积绝缘层成为本发明的层状高导热绝缘基板，该绝缘基板除具有高导热、低热膨胀系数、高强度、良好的尺寸稳定性能外，还具有高击穿强度、高介电常数等性质。本发明中的高导热绝缘基板解决了电子封装基板在保持基材良好散热特性的基础上，对绝缘作用的需求。本发明中的高导热绝缘基板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IGBT（insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管）基板或CPV（concentrating photovoltaic，聚光光伏）太阳能、集成电路（IC）衬底、微波大功率器件散热基板、多芯片组装（MCM）用基板等。

附图说明

图1为复合材料基体上沉积单层绝缘膜结构示意图。

图2为复合材料基体上沉积多层绝缘膜结构示意图。

具体实施方式

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。

实施例1

高导热绝缘基板的制备方法包括以下几个步骤：

步骤一：采用压力浸渗方法制备金刚石/铜复合材料试样，金刚石颗粒的体积分数为60%，将其加工成30mm×40mm×3mm的长方形块体，一般而言，复合材料试样的形状不设定，且不限于任何厚度，但以2mm以上为较佳的厚度；

步骤二：对金刚石/铜复合材料试样进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；

步骤三：采用磁控溅射的方法在金刚石/铜复合材料试样上沉积Ti过渡层，过渡层厚度为100nm；

步骤四：采用磁控溅射的方法在沉积了Ti过渡层的金刚石/铜复合材料试样上沉积AlN绝缘膜，绝缘膜的厚度为3μm，沉积AlN绝缘膜后金刚石/铜复合材料基板的介电常数为8.5、介电损耗Tanδ为8.5×10^-4（1MHz）、体积电阻率（25℃）≥10¹²Ω·cm，室温热导率为550W/m·K，如图1所示。

实施例2

高导热绝缘基板的制备方法包括以下几个步骤：

步骤一：采用压力浸渗方法制备金刚石/铜复合材料试样，金刚石颗粒的体积分数为65%，将其加工成40mm×50mm×3mm的长方形块体；

步骤二：对金刚石/铜复合材料试样进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；

步骤三：采用磁控溅射的方法在金刚石/铜复合材料试样上沉积Ti过渡层，过渡层厚度为200nm；

步骤四：采用磁控溅射的方法在沉积了Ti过渡层的金刚石/铜复合材料试样上沉积AlN绝缘膜，绝缘膜的厚度为4μm，沉积AlN绝缘膜后金刚石/铜复合材料基板的介电常数为10.2、介电损耗Tanδ为5×10^-4（1MHz）、体积电阻率（25℃）≥10¹²Ω·cm，室温热导率为500W/m·K。

实施例3

高导热绝缘基板的制备方法包括以下几个步骤：

步骤一：采用压力浸渗方法制备金刚石/铝复合材料试样，金刚石颗粒的体积分数为60%，将其加工成35mm×45mm×3mm的长方形块体；

步骤二：对金刚石/铝复合材料试样进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；

步骤三：采用磁控溅射的方法在金刚石/铝复合材料试样上沉积Ti过渡层，过渡层厚度为150nm；

步骤四：采用磁控溅射的方法在沉积了Ti过渡层的金刚石/铝复合材料试样上沉积BN绝缘膜，绝缘膜的厚度为3μm，沉积BN绝缘膜后金刚石/铜复合材料基板的介电常数为4.5、介电损耗Tanδ为5×10^-4（1MHz）、体积电阻率（25℃）≥10¹²Ω·cm，室温热导率为380W/m·K。

实施例4

高导热绝缘基板的制备方法包括以下几个步骤：

步骤一：采用压力浸渗方法制备金刚石/铜复合材料试样，金刚石颗粒的体积分数为60%，将其加工成40mm×50mm×3mm的长方形块体；

步骤二：对金刚石/铜复合材料试样进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；

步骤三：采用磁控溅射的方法在金刚石/铜复合材料试样上沉积Ti过渡层，过渡层厚度为250nm；

步骤四：采用磁控溅射的方法在沉积了Ti过渡层的金刚石/铜复合材料试样上交替沉积AlN膜和BN膜，先沉积AlN膜，再沉积BN膜，绝缘膜的总厚度为4μm，沉积绝缘膜后金刚石/铜复合材料基板的介电常数为6.0、介电损耗Tanδ为5×10^-4（1MHz）、体积电阻率（25℃）≥10¹²Ω·cm，室温热导率为530W/m·K。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种层状高导热绝缘基板，其特征在于：在基体上沉积绝缘层，所述的基体为颗粒或纤维增强的铜、铝或银的复合材料，其中增强颗粒或纤维的体积分数为25%～70%，所述的绝缘层为单层绝缘膜或多层绝缘膜，绝缘层厚度为1μm～10μm，其中多层绝缘膜每层的厚度为200nm-5μm。

2.根据权利要求1所述的一种层状高导热绝缘基板，其特征在于：基体与绝缘层之间具有过渡层，所述过渡层的厚度为100nm～1μm；所述过渡层的材料为碳化物形成元素钛、铬或硼。

3.根据权利要求1所述的一种层状高导热绝缘基板，其特征在于：所述的复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银或碳纤维混杂SiC颗粒/银的复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种层状高导热绝缘基板，其特征在于：所述的单层绝缘膜为CVD金刚石膜、氮化铝膜或氮化硼膜。

5.根据权利要求1所述的一种层状高导热绝缘基板，其特征在于：所述的多层绝缘膜为多层绝缘膜为CVD金刚石和氮化铝的多层膜、氮化铝和氮化硼的多层膜、CVD金刚石和氮化硼的多层膜或者其他高导热陶瓷多层膜。

6.一种层状高导热绝缘基板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：采用压力浸渗、粉末冶金或XPS方法制备颗粒或纤维增强铜、铝或者银的复合材料基体，增强颗粒或纤维的体积分数为25%～70%；

步骤二：对复合材料基体进行粗磨、精磨、粗抛、精抛；

步骤三：采用化学气相沉积技术、磁控溅射技术或物理气相沉积技术在基体上沉积碳化物形成元素钛、铬或硼的过渡层，过渡层厚度为100nm～1μm；

步骤四：采用化学气相沉积技术、磁控溅射技术或物理气相沉积技术在上述基体表面沉积单层绝缘膜或交替沉积多层绝缘膜，绝缘层的厚度为1μm～10μm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银或碳纤维混杂SiC颗粒/银的复合材料。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述沉积单层绝缘膜或交替沉积多层绝缘膜，单层绝缘膜为CVD金刚石膜、氮化铝膜、氮化硼膜或者其他高导热陶瓷膜，多层绝缘膜为CVD金刚石和氮化铝的多层膜、氮化铝和氮化硼的多层膜、CVD金刚石和氮化硼的多层膜或者其他高导热陶瓷多层膜。