CN109321882A - 改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于材料冶金技术领域的改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层及方法。所述镀层包括35.0～45.0wt.％锆、余量钇，具体利用蒸镀在金刚石颗粒表面镀上0.1μm～0.2μm的锆钇合金镀层，从而大幅改善金刚石/镁复合材料界面结合状态，显著提高金刚石/镁电子封装材料热导率，并提高了两者界面结合的高温与室温强度。

Description

改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层及方法
技术领域
本发明属于材料冶金技术领域，特别涉及改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层及方法。
背景技术
金刚石材料有着已知材料中最高的导热系数，其导热系数最高可达2200w·(m·k)-1。然而，极高的硬度与脆性使其无法单独成为一种实用的封装材料。采用金刚石增强的金刚石/铜材料复合材料的出现，使得金刚石在电子封装材料中大显身手。作为一种先进的第三代电子封装材料，Diamond/Cu不仅具有高的导热效率，导热系数可达600w·(m·k)-1以上，而且膨胀系数具有可调控的特点，使其膨胀变形与镓砷化合物相匹配。因而，尽管Diamond/Cu电子封装材料造价高昂，工艺途径复杂，国际市场对这种神奇电子封装材料仍趋之若鹜。
然而，随着金刚石/铜电子封装材料应用规模日益扩大，其技术缺陷也日趋明显。首先，铜的比重过大，导致金刚石/铜复合材料的密度超过5.9g/cm3，几乎为金刚石密度的1.67倍，限制了金刚石/铜电子封装材料在航空、航天领域的大规模的应用；第二，铜的熔点较高，超过1082℃，可导致金刚石在与铜液复合时表面发生不同程度石墨化现象，从而大幅降低了Diamond/Cu材料界面散热效果；第三，金刚石/铜复合材料中，受铜热胀系数限制，金刚石的体积分数不能超过70％，否则金刚石/铜复合材料的线膨胀率会明显小于镓砷化合物的膨胀率，导致较大的封装热应力。
而镁及其合金具有较小的比重，约为1.74g/cm3，熔点仅有650℃，且镁液具有较强的熔渗性能与抗辐射能力。因而，金刚石/镁电子封装材料不仅可有效克服上述技术问题，而且完全有可能成为一种更适用于航天领域的新型电子封装材料。
然而金刚石与镁的复合面临一系列的技术挑战，其中主要表现为：首先，金刚石表面的C原子露出一个多余的悬挂键，导致金刚石极高的表面能，因而金刚石几乎与包括镁在内的绝大多数金属材料存在界面不浸润、相容性差的问题，且镁与C原子不发生热力学反应，导致固态金刚石与镁液在复合成形时，发生充盈欠佳、界面形成气孔及界面弱结合等问题，无法保证热量在界面的有效传递；其次，金刚石材料尺寸稳定性极好，其热膨胀系数(CTE)小于2ppm/℃，而Mg的热膨胀系数为27.0ppm/℃，两者相差悬殊，导致Diamond/Mg材料由于界面热应力而形成裂纹，甚至发生金刚石与基体脱落现象。
为了有效改善金刚石与金属基体界面结合问题，其有效技术途径就是对金刚石表面进行改性，如采用蒸镀工艺在金刚石表面覆镀一层强碳化物元素如W、Mo、Cr、Ti等涂层，既可改善金刚石与金属界面结合强度，也可作为一种金刚石与金属基体界面热胀应力的中间缓冲层。强碳化物元素如W、Mo、Cr、Ti等成功地应用于金刚石/铜电子封装材料的界面结合，但这些元素既不能固溶于镁，也不能与镁形成金属间化合物，均无法与金属镁形成有效的热力学结合。
发明内容
本发明的目的在于提供改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层及方法，具体技术方案如下：
改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层，以质量百分数计，所述镀层包括35.0～45.0wt.％锆(Zr)、余量钇(Y)，镀层厚度为0.1μm～0.2μm。
利用上述镀层改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的方法包括以下步骤：
(1)真空炉抽真空，使其压力不超过20Pa；将锆、钇置于真空炉中加热，使之全部熔化，并将熔体温度升温至1445～1550℃；
(2)将表面洁净无污染、粒径200μm～300μm的金刚石颗粒置于步骤(1)所述熔体上方旋转、蒸镀8～12分钟，即得到表面镀有锆钇合金的增强相金刚石颗粒；
(3)将步骤(2)所得金刚石颗粒与镁粉混合，利用六面顶压工艺在780℃、5.6GPa下合成金刚石/镁复合电子封装材料。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的Y-Zr合金镀层，一方面，通过形成合金碳化物方式与金刚石形成有效的热力学结合；另一方面，Y-Zr合金与镁所具有的良好热力学相容性导致两者的冶金结合，解决了金刚石/镁界面不浸润、结合强度低而导致界面热阻过高的问题；
(2)Y-Zr合金镀层的膨胀系数在7.0～9.7ppm/℃之间，作为金刚石/镁界面中间结合层，起到有效的热胀缓冲作用；Y-Zr合金在界面镁基体中的固溶，可显著提高结合界面处金属镁的高温强度与室温力学性能；且改善后的金刚石/镁复合电子封装材料热导率得到显著提高。
具体实施方式
本发明提供了改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层及方法，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
按照下述方法在金刚石颗粒表面蒸镀Y-Zr合金镀层，以改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合状态：
(1)将真空炉抽真空，使其压力为20Pa，将Y、Zr分别以质量分数60.0wt.％、40.0wt.％混合、加热至全部熔化，并将合金熔体温度升至并保持在1445℃左右；
(2)将表面洁净无污染、粒径为200～300μm的金刚石颗粒置于钇锆合金熔体上方，并一边蒸镀一边抖动、翻转金刚石颗粒；
(3)整个蒸镀过程保持8分钟，得到厚度约为0.1μm、含Zr 35wt％左右的Y-Zr合金镀层，待其冷却后将镀好的金刚石颗粒取出备用。
将上述制备得到的金刚石颗粒、高纯镁粉以体积比72：28均匀混合后，采用六面顶压工艺将两者进行高温、高压复合，复合温度为780℃，压力为5.6GPa，保温15分钟左右降温撤压，得到导热系数为416w·(m·k)-1金刚石/镁复合材料。
实施例2
按照下述方法在金刚石颗粒表面蒸镀Y-Zr合金镀层，以改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合状态：
(1)将真空炉抽真空，使其压力为18Pa，将Y、Zr分别以质量分数57.0wt.％、43.0wt.％混合、加热至全部熔化，并将合金熔体温度升至并保持在1480℃左右；
(2)将表面洁净无污染、粒径为200～300μm的金刚石颗粒置于钇锆合金熔体上方，并一边蒸镀一边抖动、翻转金刚石颗粒；
(3)整个蒸镀过程保持9分钟，得到厚度约为0.12μm、含Zr 38wt％左右的Y-Zr合金镀层，待其冷却后将镀好的金刚石颗粒取出备用。
将上述制备得到的金刚石颗粒、高纯镁粉以体积比72：28均匀混合后，采用六面顶压工艺将两者进行高温、高压复合，复合温度为780℃，压力为5.6GPa，保温15分钟左右降温撤压，得到导热系数为408w·(m·k)-1金刚石/镁复合材料。
实施例3
按照下述方法在金刚石颗粒表面蒸镀Y-Zr合金镀层，以改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合状态：
(1)将真空炉抽真空，使其压力为16Pa，将Y、Zr分别以质量分数54.0wt.％、46.0wt.％混合、加热至全部熔化，并将合金熔体温度升至并保持在1500℃左右；
(2)将表面洁净无污染、粒径为200～300μm的金刚石颗粒置于钇锆合金熔体上方，并一边蒸镀一边抖动、翻转金刚石颗粒；
(3)整个蒸镀过程保持10分钟，得到厚度约为0.16μm、含Zr 40wt％左右的Y-Zr合金镀层，待其冷却后将镀好的金刚石颗粒取出备用。
将上述制备得到的金刚石颗粒、高纯镁粉以体积比72：28均匀混合后，采用六面顶压工艺将两者进行高温、高压复合，复合温度为780℃，压力为5.6GPa，保温15分钟左右降温撤压，得到导热系数为418w·(m·k)-1金刚石/镁复合材料。
实施例4
按照下述方法在金刚石颗粒表面蒸镀Y-Zr合金镀层，以改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合状态：
(1)将真空炉抽真空，使其压力为15Pa，将Y、Zr分别以质量分数50.0wt.％、50.0wt.％混合、加热至全部熔化，并将合金熔体温度升至并保持在1550℃左右；
(2)将表面洁净无污染、粒径为200～300μm的金刚石颗粒置于钇锆合金熔体上方，并一边蒸镀一边抖动、翻转金刚石颗粒；
(3)整个蒸镀过程保持12分钟，得到厚度约为0.2μm、含Zr 45wt％左右的Y-Zr合金镀层，待其冷却后将镀好的金刚石颗粒取出备用。
将上述制备得到的金刚石颗粒、高纯镁粉以体积比72：28均匀混合后，采用六面顶压工艺将两者进行高温、高压复合，复合温度为780℃，压力为5.6GPa，保温15分钟左右降温撤压，得到导热系数为415w·(m·k)-1金刚石/镁复合材料。

Claims (7)

1.改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的镀层，其特征在于，以质量百分数计，所述镀层包括35.0～45.0wt.％锆、余量钇。
2.根据权利要求1所述的镀层，其特征在于，所述镀层厚度为0.1μm～0.2μm。
3.利用权利要求1或2所述镀层改善金刚石/镁复合电子封装材料界面结合的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将锆、钇置于真空炉中熔化，并将熔体温度升温至1445～1550℃；
(2)将金刚石置于步骤(1)所述熔体上方蒸镀，得到表面镀有锆-钇合金的金刚石颗粒；
(3)将步骤(2)所得金刚石颗粒与镁粉混合，利用六面顶压工艺合成金刚石/镁复合电子封装材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)真空炉中压力不超过20Pa。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中金刚石为粒径200～300μm的颗粒。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中蒸镀时间为8～12分钟。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中六面顶压工艺的温度为780℃，压力为5.6GPa。
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