CN107641730B

CN107641730B - 一种电子封装用金属基复合材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN107641730B
Application number: CN201710873113.6A
Authority: CN
Inventors: 孙忠祥; 张义荣; 邬剑波
Original assignee: SHANGHAI JIUSHAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI JIUSHAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: CN107641730A

Abstract

本发明涉及一种电子封装用金属基复合材料及其制备方法和应用，所述材料由基体和增强体组成，所述基体为铜合金，所述增强体为基体质量30‑50％的AlN颗粒和基体质量10‑20％的石墨烯。本发明选择铜合金、AlN颗粒以及石墨烯进行组合，通过控制其含量来调节热膨胀系数和热导率，克服了复合材料中热膨胀系数不匹配的问题，同时获得了较高的热导率。其热导率最高可达262W/(m·K)，热膨胀系数最低为4.5×10^‑6/K，具有良好的应用前景。

Description

一种电子封装用金属基复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种电子封装用金属基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

电子封装技术的重要支撑是电子封装材料。对集成电路封装来说，电子封装材料是指集成电路的包封(密封)体，是保护半导体芯片和电子电路，以及辅助电路散热的重要组成部分。通过封装不仅对芯片具有机械支撑和环境保护作用，使其避免大气中的水汽、杂质及各种化学气氛的污染和侵蚀，从而使集成电路芯片能稳定地发挥正常电气功能，而且封装对器件和电路的热性能乃至可靠性起着举足轻重的作用，一个电路的封装成本几乎已和芯片的成本相当。

电子封装材料主要有塑封料、陶瓷封装材料和金属封装材料。在集成电路中，封装起着芯片保护、芯片支撑、芯片散热、芯片绝缘以及芯片与外电路连接的作用，电子封装材料的研究重点经历了金属、陶瓷、塑料、复合材料的变化。微电子和半导体器件对封装材料要求越来越高，加速了先进金属基复合材料的发展。金属基复合材料可以将金属基体较高的热导率和增强相材料较低的热膨胀系数结合起来，通过改变增强相种类、体积分数、排列方式或者复合材料的热处理工艺，制备出热物理性能与电子器件材料(如Si和GaAs)相匹配的封装材料。由于具有上述优点，金属基复合材料已经成为目前电子封装材料领域研究的重要方向之一。

CN 104962797 A公开了一种金属基电子封装复合材料及其制备方法，以铝铜为基体，在其上面轧制SiC，Mo，BeO，ZrW₂O₈，GaAs，并添加玻璃纤维、酚醛纤维，得到的复合材料的热导率最高可达205W/(m·K)，热膨胀系数最低为5×10^-6/K。CN 103103403 A公开了一种电子封装材料，所述材料由基体和增强体组成，基体为铝、铜、铝合金或铜合金，增强体为占总质量白分比的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，该发明得到的材料热导率较高，但是基体和增强体之间的热膨胀系数有较大的差异，易出现热应力。CN 1858143A公开了一种电子封装材料，以纳米金属为基体，以纳米碳管作为添加剂制成。该此复合材料可与半导体硅同步热膨胀，热膨胀系数最低可达5×10^-6/K，但是该材料需要先制备纳米管，工艺较为复杂，且应用范围收到了限制，不利于推广。

对于电子封装材料，热膨胀系数是极其重要的性能参数之一，它和增强相与基体合金的固有性能以及增强体含量有着直接关系。热导率是电子封装材料的另一个重要的性能参数，在复合材料中，导热便由基体与增强相共同决定。其与增强相的性质、体积分数、尺寸、界面状态等相关。封装过程中，若采用金属基复合封装材料，可以表现出较高的热物理性能和良好的封装性能。然而上述现有的金属基复合封装材料，普遍存在着金属基复合材料中不同材料之间热膨胀系数不匹配以及热导率较低等问题，需要进一步进行深入的研究和开发。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电子封装用金属基复合材料及其制备方法和应用，克服了不同材料之间热膨胀系数不匹配会产生热应力以及铜合金和AlN组合时热导率不高的问题，得到了热导率大于200W/(m·K)，热膨胀系数小于6×10^-6/K的复合材料，具有良好的应用前景。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种电子封装用金属基复合材料，所述材料由基体和增强体组成，所述基体为铜合金，所述增强体为基体质量30-50％的AlN颗粒和基体质量10-20％的石墨烯。

AlN是一种具有纤锌矿结构的Ⅲ-V族化合物，它具有与SiC相接近的高热导率，热膨胀系数低于Al₂O₃，制备含有AlN的复合材料，是能够实现高达200W/(m·K)以上热导率的一种有效方法。

本发明以铜合金为基体，AlN为主要增强体，二者热膨胀系数相匹配，能够减少热应力的产生。但是铜合金和AlN相组合时，热流在二者之间传递时存在较大的温度差异，会产生较大的界面热阻，降低热导率；同时二者结合后致密度较差，间隙的存在同样会降低材料的热导率。经过发明人大量实验证明，石墨烯作为第二增强体，能够有效改变铜合金和AlN组合时的界面结构，解决了铜合金和AlN的兼容问题，降低了界而热阻，同时填补了形成的间隙，大幅提高材料的热导率。同时，适量石墨烯的加入，还能够通过对界面结构的改进进一步降低热膨胀系数，最终得到了具有优异热导率和热膨胀系数的金属基复合材料。

根据本发明，所述增强体AlN颗粒的质量为铜合金的30-50％，例如可以是30％、32％、34％、36％、38％、40％、42％、44％、46％、48％或50％，以及上述数值之间的具体的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述增强体石墨烯的质量为铜合金的10-20％，例如可以是10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％，以及上述数值之间的具体的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述铜合金为铜钼合金，所述铜钼合金中Mo的质量为Cu的20-30％，例如可以是20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％，以及上述数值之间的具体的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述材料由铜合金和其质量30-50％的AlN颗粒以及其质量10-20％的石墨烯组成，所述铜合金由Cu和其质量20-30％的Mo组成。

作为优选的技术方案，所述材料由铜合金和其质量35-45％的AlN颗粒以及其质量12-18％的石墨烯组成，所述铜合金由Cu和其质量20-30％的Mo组成。

作为进一步优选的技术方案，所述材料由铜合金和其质量40-45％的AlN颗粒以及其质量15-18％的石墨烯组成，所述铜合金由Cu和其质量20-30％的Mo组成。

根据本发明，所述AlN颗粒的粒度为100-300目，例如可以是100目、120目、130目、140目、150目、170目、180目、200目、230目、240目、250目、270目或300目，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

第二方面，本发明提供一种第一方面所述的金属基复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将AlN粉末制备成粒度为100-300目的颗粒；

(2)按配方量将Cu粉、Mo粉、石墨烯以及步骤(1)得到的AlN颗粒混合进行湿法超声波分散，分散均匀后冷轧成型；

(3)将步骤(2)冷轧成型后的材料在真空条件下加热加压进行熔渗，熔渗完成后得到所述金属基复合材料。

根据本发明，步骤(3)所述熔渗的温度为800-900℃，例如可以是800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(3)所述熔渗的时间为2-4h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h或4h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(3)所述熔渗的压力为5-10MPa，例如可以是5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa或10MPa，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

第三方面，本发明提供一种第一方面所述的金属基复合材料的应用，将所得金属基复合材料应用于电子封装。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明选择铜钼合金、AlN颗粒以及石墨烯进行组合，通过控制其含量来调节热膨胀系数和热导率，相对于金属封装材料，克服了复合材料中热膨胀系数不匹配的问题，避免了芯片因热应力而造成损坏，同时获得了较高的热导率。

(2)本发明能够得到的材料具有优异的性能，热导率大于200W/(m·K)，热膨胀系数小于6×10^-6/K，其热导率最高可达262W/(m·K)，热膨胀系数最低为4.5×10^-6/K。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

一种电子封装用金属基复合材料，包括铜钼合金，合金质量35％的AlN颗粒，合金质量18％的石墨烯，所述铜钼合金由Cu和其质量30％的Mo组成。

按照以下方法进行制备：

(1)将AlN粉末制备成粒度为100-300目的颗粒；

(3)将步骤(2)冷轧成型后的材料在真空条件下加热至900℃，在6MPa的压力下进行熔渗，3h后熔渗完成，得到所述金属基复合材料。

实施例2

一种电子封装用金属基复合材料，包括铜钼合金，合金质量30％的AlN颗粒，合金质量12％的石墨烯，所述铜钼合金由Cu和其质量25％的Mo组成。

按照以下方法进行制备：

(1)将AlN粉末制备成粒度为100-300目的颗粒；

(3)将步骤(2)冷轧成型后的材料在真空条件下加热至850℃，在10MPa的压力下进行熔渗，2h后熔渗完成，得到所述金属基复合材料。

实施例3

一种电子封装用金属基复合材料，包括铜钼合金，合金质量35％的AlN颗粒，合金质量15％的石墨烯，所述铜钼合金由Cu和其质量28％的Mo组成。

按照以下方法进行制备：

(1)将AlN粉末制备成粒度为100-300目的颗粒；

(3)将步骤(2)冷轧成型后的材料在真空条件下加热至800℃，在9MPa的压力下进行熔渗，4h后熔渗完成，得到所述金属基复合材料。

实施例4

一种电子封装用金属基复合材料，包括铜钼合金，合金质量50％的AlN颗粒，合金质量20％的石墨烯，所述铜钼合金由Cu和其质量25％的Mo组成。

按照以下方法进行制备：

(1)将AlN粉末制备成粒度为100-300目的颗粒；

(3)将步骤(2)冷轧成型后的材料在真空条件下加热至900℃，在8MPa的压力下进行熔渗，2.5h后熔渗完成，得到所述金属基复合材料。

实施例5

一种电子封装用金属基复合材料，包括铜钼合金，合金质量42％的AlN颗粒，合金质量16％的石墨烯，所述铜钼合金由Cu和其质量28％的Mo组成。

按照以下方法进行制备：

(1)将AlN粉末制备成粒度为100-300目的颗粒；

(3)将步骤(2)冷轧成型后的材料在真空条件下加热至860℃，在7MPa的压力下进行熔渗，4h后熔渗完成，得到所述金属基复合材料。

对比例1

与实施例5相比，除了不加入石墨烯外，其他组分与制备条件均与实施例5完全相同。

对比例2

与实施5相比，除了不加入石墨烯，且将AlN颗粒的添加量调整为合金质量的58％外，其他组分与制备条件均与实施例5完全相同。

性能测试：按照国家标准测试本发明实施例1-5以及对比例1-2中得到的材料的热膨胀系数和热导率，结果如表1所示。

表1

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种电子封装用金属基复合材料，其特征在于，所述材料由基体和增强体组成，所述基体为铜钼合金，所述增强体为基体质量30-50％的AlN颗粒和基体质量10-20％的石墨烯。

2.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述铜钼合金中Mo的质量为Cu的20-30％。

3.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述材料由铜钼合金和其质量35-45％的AlN颗粒以及其质量12-18％的石墨烯组成，所述铜钼合金由Cu和其质量20-30％的Mo组成。

4.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述材料由铜钼合金和其质量40-45％的AlN颗粒以及其质量15-18％的石墨烯组成，所述铜钼合金由Cu和其质量20-30％的Mo组成。

5.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述AlN颗粒的粒度为100-300目。

6.如权利要求1-5任一项所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将AlN粉末制备成粒度为100-300目的颗粒；

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述熔渗的温度为800-900℃。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述熔渗的时间为2-4h。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述熔渗的压力为5-10MPa。

10.如权利要求1-5任一项所述的金属基复合材料的应用，其特征在于，将所得金属基复合材料应用于电子封装。