CN107841669A - 一种高导热活性复合封装材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热活性复合封装材料及其制备方法，属于金属基复合材料领域。该复合材料由SnAg₄Ti₄合金粉、铝粉和金刚石颗粒增强体组成，金刚石颗粒的体积百分数为50％‑70％，铝粉的体积百分数为25％‑49％，SnAg₄Ti₄合金粉的体积百分数为1％‑5％。采用真空气雾化制粉炉制备活性钎料SnAg₄Ti₄合金粉，机械混粉后，将混合粉放入等放电等离子烧结炉内制得金刚石/铝复合材料。烧结后复合材料的界面结合较好，致密度较高，其热导率达703W/m·K，热膨胀系数降至7.9×10^‑6/K，致密度达到97.8％以上，本发明操作性强，工艺简单，可用于电子封装等领域。

Description

一种高导热活性复合封装材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高导热活性复合封装材料及其制备方法，具体涉及一种采用放电等离子烧结技术制备高导热金刚石/铝复合封装材料及其生产方法，主要用于超大规模集成电路的散热基板，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

随着电子工业的发展和高密度封装技术的进步，使得电路的工作温度不断上升，导致传统的散热基板已经不能满足其性能要求。因此研究高导热、低膨胀系数散热基板新材料具有很大的理论意义和实际应用价值。由于单一的散热基板材料不能同时满足超大规模集成电路对导热性能和膨胀系数的要求，因此，复合散热基板材料的研发已经成为必然趋势。

目前，国内外已有不少科研机构开发和研究了高热导率、低热膨胀系数及低密度的复合散热基板材料，金刚石/铝复合材料具有较优异的理论热物理性能，被认为是高性能电子封装及散热基板材料的不二之选。由于铝不是碳化物形成元素，且和金刚石完全没有亲和力，因此铝是完全不润湿金刚石的。克服金刚石和铝的界面润湿性问题已经成为获得高性能金刚石/铝复合材料的必要条件。

发明内容

本发明针对金刚石与铝之间润湿性差、结合强度不够高等问题，提供一种具有高导热性能的高体积分数金刚石增强铝基复合材料以及制备方法，采用放电等离子烧结技术制备大规模集成电路散热基板用高导热金刚石/铝复合封装材料，该方法简单易行，利于批量生产。本发明主要解决了金刚石与铝连接难的问题，从而获得高热导率、低膨胀系数的散热基板材料。

本发明采用放电等离子烧结技术，添加活性钎料，通过直接基体铝的合金化(在基体铝中加入微量能与金刚石发生反应生成碳化物活性元素)，制备得到高导热率、低膨胀系数的金刚石/铝复合材料。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高导热活性复合封装材料，由活性钎料SnAg₄Ti₄合金粉、铝粉和金刚石颗粒增强体混合而成，其中金刚石颗粒增强体在材料中所占的体积百分数为50％-70％，铝粉的体积百分数为25％-49％，SnAg₄Ti₄合金粉的体积百分数为1％-5％。

所述的金刚石颗粒粒度尺寸为50-200μm，铝粉粒度为20-100μm，SnAg₄Ti₄合金粉粒度为10-20μm。

本发明技术方案还提出了用于制备上述金刚石/铝复合材料的制备方法，采用放电等离子烧结技术制备大规模集成电路散热基板用高导热金刚石/铝复合封装材料。

一种高导热活性复合封装材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备SnAg₄Ti₄合金粉：采用真空气雾化制粉炉制备活性钎料SnAg₄Ti₄合金粉，并对合金粉进行筛分，得到所需粒径的SnAg₄Ti₄合金粉；

(2)机械混粉：将金刚石颗粒、铝粉和SnAg₄Ti₄合金粉按体积百分比分别为50％-70％、25％-49％和1％-5％混合，在球磨机中进行球磨处理；

(3)烧结：将步骤(2)中制得的混合粉末装入放电等离子体(SPS)烧结炉模具中，升温烧结，然后随炉冷却至室温，得到金刚石/铝复合材料。

步骤(1)中，SnAg₄Ti₄合金粉的制备方法，包括如下步骤：

1)配料：按照SnAg₄Ti₄合金粉各组分的质量百分比称取原料；

2)制粉：将锡、银和钛放入真空气雾化法中的石墨坩埚内，抽真空，升温熔化，熔化温度380-420℃，保温10-15min，充分搅拌，浇铸喷粉；

3)筛粉：将步骤2)制得的SnAg₄Ti₄合金粉进行筛分，得到所需粒度的合金粉。

步骤1)中，优选的，锡、银和钛的纯度均≥99.99％(质量％)。

本发明方法中，采用金刚石颗粒的粒度为50-200μm，铝粉粒度为20-100μm，SnAg₄Ti₄合金粉粒度为10-20μm，铝粉的纯度≥99.99％(质量％)。

步骤(2)中，所述的球磨处理时间为60-90min；优选的，在球磨处理后，将充分混合的混合粉末取出，在氢气保护气氛中加热到300℃-450℃，保温1-5小时，随炉冷却。

步骤(3)中，升温烧结前，先将放电等离子体(SPS)烧结炉抽真空为0.01Pa以下，然后再升温烧结；采用的模具为石墨模具。

烧结的工艺参数为：以100-200℃/min的加热速率加热至500℃-600℃进行烧结，烧结压力为30-50MPa，烧结时间为1-60min，气氛为真空。

本发明的优点：

1、本发明制备的金刚石/铝复合材料导热率最高可达到703W/m·K，线膨胀系数在5.5-10.5×10^-6K，致密度大于99％，满足超大规模集成电路散热基板的使用要求。

2、本发明首次采用活性钎料SnAg₄Ti₄合金作为基体材料与金刚石在一定温度下进行烧结，改善金刚石与铝之间的界面情况。在烧结过程中，合理控制烧结温度，使温度高于SnAg₄Ti₄合金液相线温度，实现液相烧结，排除气孔的同时促进铝基体晶粒发育长大，使材料致密化；另一方面，可以通过一系列反应有效驱除金刚石和铝表面的氧化物杂质，使材料内部产生的缺陷浓度降低，改善热导率。

3、本发明省去了在金刚石表面镀附一层金属的复杂过程，制备工艺简单，节能环保，利于批量生产。

本发明的金刚石/铝复合材料具有高导热和低热膨胀系数，烧结后复合材料的界面结合较好，致密度较高，本发明操作性强，工艺简单，可用于电子封装等领域。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的金刚石/铝复合材料的断面扫描电镜照片。

图2为本发明实施例2得到的金刚石/铝复合材料的断面扫描电镜照片。

具体实施方式

一种采用放电等离子烧结技术制备大规模集成电路散热基板用高导热金刚石/铝复合封装材料的生产方法，其特征在于所述方法按以下步骤实现：

(1)配料：按照SnAg₄Ti₄合金粉各组分的质量百分比称取原料；锡的纯度≥99.99％(质量％)，银的纯度≥99.99％(质量％)，钛的纯度≥99.99％(质量％)。

(2)SnAg₄Ti₄合金粉制备：将配好比例的纯锡、纯银、纯钛放入真空气雾化法中的石墨坩埚内，抽真空，升温熔化，在400℃保温10min，充分搅拌，浇铸喷粉。

(3)筛粉：将步骤(2)制得的SnAg₄Ti₄合金粉进行筛分，获得合金粉粒度为20μm的颗粒，用于以下实施例中复合封装材料的制备。

(4)采用机械混粉的方式将步骤(3)中20μm的SnAg₄Ti₄合金粉与金刚石、铝粉混合，其中，金刚石体积百分数为50％-70％，铝粉体积百分数为25％-49％，SnAg₄Ti₄合金粉体积百分数为1％-5％，在球磨机中进行球磨处理，机械混粉时间为60-90min；选择原料时，铝的纯度≥99.99％(质量％)，铝粉粒度为20-100μm，金刚石粉粒度为50-200μm。球磨处理后，将充分混合的混合粉末取出，在氢气保护气氛中加热到400℃，保温2小时，随炉冷却。

(5)将步骤(4)中所制得的混合料装入石墨模具中，放入SPS炉内进行烧结，烧结参数为：压力30-50MPa、温度500-600℃、升温速度100-200℃/min、烧结时间1-60min，然后随炉冷却至室温，得到金刚石/铝复合材料。烧结前，可先将SPS烧结炉抽真空为0.01Pa以下，然后再升温烧结，烧结气氛为真空。

以下将结合实施例和附图对本发明技术方案作进一步地详述，但不限定本发明。

实施例1

采用真空气雾化法制备活性钎料SnAg₄Ti₄粉，分别筛选出粒度为20μm，金刚石颗粒粒度选用200μm，铝粉粒度选用20μm。将体积百分比分别为60％、1％、39％的金刚石颗粒、SnAg₄Ti₄粉、铝粉混合球磨60min，将球磨后的混合粉放入放电等离子烧结炉中进行烧结制得金刚石/铝/活性钎料复合材料。其中烧结温度为600℃，烧结压力50MPa，升温速度为100℃/min，保温5min，气氛为真空。采用此工艺制得的金刚石/铝/活性钎料复合材料导热率为703W/m·K，线膨胀系数在7.9×10^-6K，致密度为99.5％。

实施例2

本实施例的工艺条件与实施例1相同，只改变活性钎料SnAg₄Ti₄合金粉的比例，采用5％的SnAg₄Ti₄合金粉，58％的金刚石颗粒，37％的铝粉。所制得的金刚石/铝复合材料导热率为602W/m·K，线膨胀系数在8.5×10^-6K，致密度为99.7％。

实施例3

本实施例的工艺条件与实施例1相同，只改变铝粉的粒径尺寸，采用铝粉的尺寸为100μm。所制得的金刚石/铝/活性钎料复合材料导热率为588W/m·K，线膨胀系数在8.0×10^-6K，致密度为98.8％。

实施例4

本实施例的工艺条件与实施例1相同，只改变金刚石颗粒尺寸，采用金刚石颗粒为100μm。所制得的金刚石/铝复合材料导热率为571W/m·K，线膨胀系数在8.1×10^-6K，致密度为99.2％。

实施例5

实施例的工艺条件与实施例1相同，只改烧结参数，其中烧结温度为500℃，烧结压力30MPa，升温速度为100℃/min，保温5min，气氛为真空。所制得的金刚石/铝复合材料导热率为492W/m·K，线膨胀系数在8.0×10^-6K，致密度为97.8％。

图1和图2分别为本发明实施例1和2得到的金刚石/铝复合材料的断面扫描电镜照片(显微组织)。从图中可以看到，金刚石与铝的结合界面浸润良好，界面处无空隙，大幅度降低了材料的界面热阻，提高了金刚石颗粒的有效导热率，使材料的整体导热率提高。

实施例1-5制得的金刚石/铝复合材料，复合材料的界面结合较好，致密度较高，其热导率达703W/m·K，热膨胀系数降至7.9×10^-6/K，致密度达到97.8％以上，具有高导热和低热膨胀系数，可用于电子封装等领域。

上述实施例中仅仅举出本发明金刚石/铝复合材料及其制备方法部分的实施例，在上述本发明的技术方案中：所述的金刚石颗粒尺寸及百分比例、铝粉粒度及百分比例、SnAg₄Ti₄粉粒度及百分比例、烧结温度、烧结压力、烧结速率等在限定范围内可自由选择，此处不再一一列举，故以上的说明所包含的技术方案应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种高导热活性复合封装材料，其特征在于：由SnAg₄Ti₄合金粉、铝粉和金刚石颗粒增强体组成，金刚石颗粒的体积百分数为50％-70％，铝粉的体积百分数为25％-49％，SnAg₄Ti₄合金粉的体积百分数为1％-5％。

2.根据权利要求1所述的高导热活性复合封装材料，其特征在于：所述的金刚石颗粒粒度为50-200μm，铝粉粒度为20-100μm，SnAg₄Ti₄合金粉粒度为10-20μm。

3.一种高导热活性复合封装材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备SnAg₄Ti₄合金粉：采用真空气雾化制粉炉制备SnAg₄Ti₄合金粉，并对合金粉进行筛分；

(2)机械混粉：将金刚石颗粒、铝粉和SnAg₄Ti₄合金粉按体积百分比分别为50％-70％、25％-49％和1％-5％混合，在球磨机中进行球磨处理；

(3)烧结：将步骤(2)中制得的混合粉末装入放电等离子体烧结炉模具中，升温烧结，然后随炉冷却至室温，得到金刚石/铝复合材料。

4.根据权利要求3所述的高导热活性复合封装材料的制备方法，其特征在于：金刚石颗粒的粒度为50-200μm，铝粉粒度为20-100μm，SnAg₄Ti₄合金粉粒度为10-20μm。

5.根据权利要求4所述的高导热活性复合封装材料的制备方法，其特征在于：铝粉的纯度≥99.99质量％。

6.根据权利要求3所述的高导热活性复合封装材料的制备方法，其特征在于：所述的球磨处理的时间为60-90min。

7.根据权利要求3所述的高导热活性复合封装材料的制备方法，其特征在于：在球磨处理后，将混合粉末取出，在氢气保护气氛中加热到300℃-450℃，保温1-5小时，随炉冷却。

8.根据权利要求3所述的高导热活性复合封装材料的制备方法，其特征在于：升温烧结前，先将放电等离子体烧结炉抽真空为0.01Pa以下，然后再升温烧结；采用的模具为石墨模具。

9.根据权利要求8所述的高导热活性复合封装材料的制备方法，其特征在于：烧结时，以100-200℃/min的加热速率加热至500℃-600℃进行烧结，烧结压力为30-50MPa，烧结时间为1-60min，气氛为真空。

10.一种SnAg₄Ti₄合金粉的制备方法，包括如下步骤：

1)配料：按照SnAg₄Ti₄合金粉各组分的质量百分比称取原料，锡、银和钛的纯度均≥99.99质量％；

2)制粉：将锡、银和钛放入真空气雾化法中的石墨坩埚内，抽真空，升温熔化，在380-420℃保温10-15min，充分搅拌，浇铸喷粉；

3)筛粉：将步骤2)制得的SnAg₄Ti₄合金粉进行筛分，得到所需粒度的合金粉。