CN105296792B - 电子封装用陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电子封装用陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法。所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料，其特征在于，其原料包含表面预处理陶瓷粉末30vol％～90vol％，铜10vol％～70vol％，其中，所述的表面预处理为：钨金属或钼金属表面包覆处理。由于陶瓷表面预处理方法使得其包覆W或Mo金属层，极大改善了物相之间相互的润湿性，因此本发明所制备的材料与以往电子封装材料相比具有更为优良的导热率、热膨胀系数和力学性能；所采用的液相熔渗方法具有操作简单、成本低廉、适合规模化生产的优势。

Description

电子封装用陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体地说，涉及的是一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

电子封装是把构成电子器件或集成电路的各个部件按规定的要求实现合理布置、组装、键合、连接、与环境隔离和保护的操作工艺，它要求所使用的封装材料既有高的导热率，又有低的热膨胀率，而且起到机械支撑、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡以及稳定元件参数的作用。在微电子技术高速发展的今天，半导体集成电路封装密度越来越大，目前常用的电子封装材料其热导率和热膨胀系数远远不能满足目前集成电路和芯片技术的发展需求，因此新型电子封装材料的研制已成为发展电子器件的关键之一。目前，各种新型封装材料已成为各国竞相研发的热点，新型微电子封装材料不仅要有高的热导率，而且还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数。目前常用的AlN、Al₂O₃、SiC、Al-SiC等材料，它们的热膨胀系数可以满足电子封装材料的需求，与Si、GaAs等半导体材料热膨胀系数相匹配，但热导率却远远不能满足。由于AL金属熔点及导率较低，从而导致以SiC-Al和Si-Al为代表的铝基复合材料耐高温性能欠佳，热导率较低，已逐渐不能满足第三代集成电路发展的需要，迫切需要开发新一代电子封装材料。Cu金属相比Al金属，有相对较高的熔点和导热率，是新一代电子封装材料的理想基体材料。

国内外关于电子封装材料的研究主要如下：

[1]刘猛，李顺.SiC/Cu电子封装材料的研究进展[J].材料导报，2013，10(27)：130-134.

[2]王常春，闵光辉.电子封装用SiC/Cu复合材料微观组织及性能研究。山东大学学报，2007

[3]Katsuhito Yoshida，HideakiMorigam.i Thermal properties of diamond/copper compositematerial[J].Microelectronics reliability，2004(44)：303-308.

[4]Agari Yasuyuk，i Inour Kanryu.Thermal conductivity of coppercomposites dispersed with diamond particles pre-pared by spark plasmasintering[J].Thernophys prop，2006，27：328-330.

综上所述，国内外研究陶瓷增强铜基电子封装材料的主要难点：由于铜基体与电子封装用主要陶瓷增强相之间润湿性欠佳，导致难以获得高致密材料，制备成本昂贵，制备手段难以实现工业化生产。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种高导热性能的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法，可以获得高致密材料，降低制备成本，便于实现工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所提供的一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料，其特征在于，其原料包含表面预处理陶瓷粉末30vol％～90vol％，铜10vol％～70vol％，其中，所述的表面预处理为：钨金属或钼金属表面包覆处理。

优选地，所述的陶瓷粉末为SiC粉末或Si粉末。

优选地，所述的陶瓷粉末的粒度在1μm～150μm。

本发明还提供了上述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将表面预处理陶瓷粉末30vol％～90vol％与铜粉末5vol％～30vol％进行球磨混粉，压制成坯料，将铜基体块与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，表面预处理陶瓷粉末、铜粉末以及铜基体块的体积百分比之和为100％，铜粉末与铜基体块的总体积百分数为10vol％～70vol％，熔渗后进行复压，得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料。

优选地，所述的表面预处理陶瓷粉末的制备方法包括：将1-10体积份的钨粉或钼粉与90-100体积份的双氧水反应，然后加入1～10体积份的无水乙醇和1～10体积份的冰乙酸，得到溶胶溶液；将已用氢氟酸粗化处理的陶瓷粉末加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气还原获得表面预处理陶瓷粉末。

更优选地，所述的氢气还原的温度为500-800℃。

优选地，所述的混粉时间为1h-60h。

优选地，所述的压制成坯料采用的压强为50MPa～150MPa。

优选地，所述的熔渗温度为1180～1400℃。

优选地，所述的熔渗的气氛为氢气气氛或惰性气氛，熔渗速度为2min/mm～5min/mm。

优选地，所述的复压的压强为100～500MPa，复压时间为10秒～1分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中陶瓷颗粒表面预处理使得陶瓷颗粒表面附有一层致密的W或Mo元素，此类元素与铜金属基体有着非常良好的润湿性。因此采用陶瓷颗粒表面预处理获得W或MO元素的设计方法，可以实现液相熔渗方法实现致密复合材料的制备。熔渗方法的采用很大程度上简化了材料制备流程，具有工艺操作简单的特点，降低了制备成本，同时便于实现工业化生产。

2、本发明研制的电子封装材料具有高致密度、高导热、低膨胀、机械强度好等特点，完全满足电子封装用材料的要求。与常用粉末冶金方法制备的现有电子封装材料相比，本发明材料导热性能提高150～210W/m.K，热膨胀系数降低2×10^-6/K，密度接近完全致密，可达99％以上的致密度，机械强度在200～500MPa之间。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法为：

将6体积份的钨粉与94体积份的90vol％双氧水反应10min，然后加入10体积份的无水乙醇和5体积份的冰乙酸，得到淡黄色的溶胶溶液；将SiC粉置于70vol％氢氟酸中粗化处理3min，将粗化处理后的陶瓷粉末加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，350℃于干燥厢中空气气氛下静置干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气700℃还原30min获得表面预处理陶瓷粉末(粒度为150μm)；

将表面预处理陶瓷粉末30vol％与铜粉末30vol％进行球磨混粉，混粉时间为20h，50MPa下压制成坯料，将铜基体块40vol％与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1250℃，熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度＝5min/mm×0.5mm＝2.5分钟，气氛为氢气气氛，将熔渗完成后样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料(厚度为0.5mm的Cu-30％SiC石)。该材料导热率为205W/m.K，热膨胀系数为8.5×10-⁶/K，抗弯强度为350MPa。

实施例2

一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法为：

将3体积份的钨粉与97体积份的90vol％双氧水反应10min，然后加入10体积份的无水乙醇和5体积份的冰乙酸，得到淡黄色的溶胶溶液；将SiC粉置于70vol％氢氟酸中粗化处理10min，将粗化处理后的陶瓷粉末加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，于干燥厢中空气气氛下350℃静置干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气700℃还原35min获得表面预处理陶瓷粉末(粒度为1μm)；

将表面预处理陶瓷粉末90vol％与铜粉末5vol％进行球磨混粉，混粉时间为3h，150MPa下压制成坯料，将铜基体块5vol％与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1300℃，熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度＝2min/mm×200mm＝400分钟，气氛为氢气气氛，将熔渗完成后样品在四柱压机上于100MPa下复压10秒，即可得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料(厚度为200mm的Cu-90％SiC)，该材料导热率为120W/m.k，热膨胀系数为5.5×10-⁶/K，抗弯强度为550MPa。

实施例3

一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法为：

将5体积份的钼粉与95体积份的85vol％双氧水反应8min，然后加入10体积份的无水乙醇和7体积份的冰乙酸，得到淡黄色的溶胶溶液；将SiC粉置于75vol％氢氟酸中粗化处理15min，将粗化处理后的陶瓷粉末加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，于干燥厢中空气气氛下350℃静置干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气780℃还原25min获得表面预处理陶瓷粉末(粒度为150μm)；

将表面预处理陶瓷粉末50vol％与铜粉末30vol％进行球磨混粉，混粉时间为40h，80MPa下压制成坯料，将铜基体块20vol％与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1280℃，熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度＝5min/mm×100mm＝500分钟，气氛为氢气气氛，将熔渗完成后样品在四柱压机上于500MPa下复压1分钟，即可得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料(厚度为100mm的Cu-50％SiC)，该材料导热率为180W/m.K，热膨胀系数为8.0×10^-6/K，抗弯强度为400MPa。

实施例4

一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法为：

将3体积份的钨粉与97体积份的85vol％双氧水反应10min，然后加入10体积份的无水乙醇和5体积份的冰乙酸，得到淡黄色的溶胶溶液；将Si粉置于70vol％氢氟酸中粗化处理30min，将粗化处理后的陶瓷粉末加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，于干燥厢中空气气氛下350℃静置干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气720℃还原30min获得表面预处理陶瓷粉末(粒度为15μm)；

将表面预处理陶瓷粉末70vol％与铜粉末20vol％进行球磨混粉，混粉时间为35h，50MPa下压制成坯料，将铜基体块10vol％与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1200℃，熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度＝2分钟/毫米×50毫米＝100分钟，气氛为氢气气氛，将熔渗完成后样品在四柱压机上于100MPa下复压10秒，即可得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料(厚度为50mm的Cu-70％Si)，该材料导热率为150W/m.K，热膨胀系数为6.5×10^-6/K，抗弯强度为200MPa。

实施例5

一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法为：

将8体积份的钨粉与92体积份的95vol％双氧水反应10min，然后加入10体积份的无水乙醇和8体积份的冰乙酸，得到淡黄色的溶胶溶液；将Si粉置于70vol％氢氟酸中粗化处理5min，将粗化处理后的陶瓷粉末加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，于干燥厢中空气气氛下250℃静置干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气680℃还原40min获得表面预处理陶瓷粉末(粒度为150μm)；

将表面预处理陶瓷粉末50vol％与铜粉末30vol％进行球磨混粉，混粉时间为30h，80MPa下压制成坯料，将铜基体块20vol％与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1200℃，熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度＝5分钟/毫米×30毫米＝150分钟，气氛为氢气气氛，将熔渗完成后样品在四柱压机上于100MPa下复压1分钟，即可得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料(厚度为30mm的Cu-50％Si)，该材料导热率为200W/m.K，热膨胀系数为8.5×10^-6/K，抗弯强度为250MPa。

实施例6

一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法为：

将4体积份的钼粉与96体积份的80vol％双氧水反应10min，然后加入10体积份的无水乙醇和9体积份的冰乙酸，得到淡黄色的溶胶溶液；将Si粉置于70vol％氢氟酸中粗化处理10min，将粗化处理后的Si粉加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，于干燥厢中空气气氛下300℃静置干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气690℃还原30min获得表面预处理陶瓷粉末(粒度为1μm)；

将表面预处理陶瓷粉末30vol％与铜粉末30vol％进行球磨混粉，混粉时间为15h，150MPa下压制成坯料，将铜基体块40vol％与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，熔渗温度为1200℃，熔渗时间＝熔渗速度×材料厚度＝2分钟/毫米×200毫米＝400分钟，气氛为氢气气氛，将熔渗完成后样品在四柱压机上于100MPa下复压10秒，即可得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料(厚度为200mm的Cu-30％Si)，该材料导热率为210W/m.K，热膨胀系数为10.0×10^-6/K，抗弯强度为350MPa。

Claims (10)

1.一种电子封装用陶瓷增强铜基复合材料，其特征在于，其原料由表面预处理陶瓷粉末30vol%～90vol%，铜10vol%～70vol%组成，其中，所述的表面预处理为：钼金属表面包覆处理；其制备步骤包括：将表面预处理陶瓷粉末30vol%～90vol%与铜粉末5vol%～30vol%进行球磨混粉，压制成坯料，将铜基体块与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，表面预处理陶瓷粉末、铜粉末以及铜基体块的体积百分比之和为100%，铜粉末与铜基体块的总体积百分数为10vol%～70vol%，熔渗后进行复压，所述的复压的压强为100～500MPa，复压时间为10秒～1分钟，得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料。

2.如权利要求1所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料，其特征在于，所述的陶瓷粉末为SiC粉末或Si粉末。

3.如权利要求1所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料，其特征在于，所述的陶瓷粉末的粒度在1μm～150μm。

4.权利要求1-3中任一项所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将表面预处理陶瓷粉末30vol%～90vol%与铜粉末5vol%～30vol%进行球磨混粉，压制成坯料，将铜基体块与压制成型的坯料在熔渗炉中进行熔渗，表面预处理陶瓷粉末、铜粉末以及铜基体块的体积百分比之和为100%，铜粉末与铜基体块的总体积百分数为10vol%～70vol%，熔渗后进行复压，得到电子封装用陶瓷增强铜基复合材料。

5.如权利要求4所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的表面预处理陶瓷粉末的制备方法包括：将1-10体积份的钼粉与90-100体积份的双氧水反应，然后加入1～10体积份的无水乙醇和1～10体积份的冰乙酸，得到溶胶溶液；将已用氢氟酸粗化处理的陶瓷粉末加入到上述的溶胶溶液中，超声振荡，干燥，并将干燥后的陶瓷粉末采用氢气还原获得表面预处理陶瓷粉末。

6.如权利要求5所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的氢气还原的温度为500-800℃。

7.如权利要求4所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的混粉时间为1h-60h。

8.如权利要求4所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的压制成坯料采用的压强为50MPa～150MPa。

9.如权利要求4所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的熔渗温度为1180～1400℃。

10.如权利要求4所述的电子封装用陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的熔渗的气氛为氢气气氛或惰性气氛，熔渗速度为2min/mm～5min/mm。