CN116394634B - 一种铝-金刚石封装基板的制备方法及其复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝‑金刚石封装基板的制备方法及其复合材料，涉及半导体领域，旨在提供一种强散热的铝‑金刚石封装基板，其技术方案要点是：S1、涂覆金刚石预制体制备：取铝硅合金箔单面涂覆胶黏剂，将金刚石粉的单颗粒通过丝网网孔粘附在胶黏剂上，制备单面涂覆单层金刚石铝硅合金箔预制体记为A，取铝片清洗备用，记为B；S2、铝‑金刚石复合体制备：将步骤S1的A与B相互间隔，按照B/A/B/A…/B进行多片叠合，置于冷压机中进行垂直方向加压冷压；S3、铝‑金刚石复合体低温排胶；S4、致密化钎焊烧结；S5、表面镀。本发明的一种铝‑金刚石封装基板的制备方法及其复合材料制备的材料散热性能好。

Description

一种铝-金刚石封装基板的制备方法及其复合材料
技术领域
本发明涉及半导体制备技术领域，更具体地说，它涉及一种铝-金刚石封装基板的制备方法及其复合材料。
背景技术
大功率半导体器件的封装基板应具有高热导率和与芯片相近热膨胀系数，随着人造金刚石价格降低，金刚石复合材料备受电子封装行业青睐。铝-金刚石复合材料可结合金刚石的高散热性能与低的热膨胀系数，是较为理想的大功率器件封装基板。
铝-金刚石复合材料的制备一方面要适当提高金刚石占比量，另一方面要实现金刚石颗粒均匀分布且热传递方向上紧密连接，使其热量传递主要通过金刚石构成三维网络传递，实现高散热能力，基于铝与金刚石难以浸润，一般会采用金刚石金属化进行表面改性，然后采用铝液加压熔渗或者无压熔渗法制备，然而金刚石金属化过程，会生成包覆金刚石的低导热性能的金属间化合物，例如TiC层等；铝液熔渗过程中冷却过程溶液收缩较难控制、疏松与缩孔产生也难以避免，这会大大降低金刚石的天然导热能力优势，故铝-金刚石封装基板散热性能无法达到最佳。
目前相关制备方法主要集中在采用熔渗法原理，相关专利如下；
专利CN 114734039 A提到用加压浸渗技术将铝合金溶液挤压到装有金刚石颗粒模具中，此种方法在铝合金液的凝固控制过程中具有较大难点，容易产生凝固收缩时的气孔、夹杂，影响热导率。
专利CN 113528881 A提到直接用铝、金刚石混合粉体熔炼浇注在模具中成型复合材料，此种方法制备的金刚石-铝复合体气孔、夹杂不易控制，温度过高铝和金刚石将产生副反应，且表面易出现金刚石颗粒凸出，难以实现表面镀，实现芯片封装功能。
综上现有技术，铝-金刚石封装基板在制备过程中，难以实现致密化，金刚石颗粒间难以实现三维网络结构搭建，金刚石表面凸点表面镀困难，金刚石金属化工艺等导致基板散热性能难以进一步提高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种铝-金刚石封装基板的制备方法，避免了高温熔化铝液收缩气孔、疏松等问题，同时金刚石不需要金属化，保持了金刚石高热导率特性，实现了强散热铝-金刚石封装基板的制备。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种铝-金刚石封装基板的制备方法，包括以下步骤：
S1、涂覆金刚石预制体制备：取铝硅合金箔单面涂覆胶黏剂，将金刚石粉的单颗粒通过丝网网孔粘附在胶黏剂上，制备单面涂覆单层金刚石铝硅合金箔预制体记为A，取铝片清洗备用，记为B；
S2、铝-金刚石复合体制备：将步骤S1的A与B相互间隔，按照B/A/B/A…/B进行多片叠合，置于冷压机中进行垂直方向加压冷压，制备铝与金刚石相互嵌入的铝-金刚石复合体；
S3、铝-金刚石复合体低温排胶：将步骤S2的铝-金刚石复合体置于空气气氛的马弗炉中除胶；
S4、致密化钎焊烧结：将S3中的铝-金刚石复合体在真空气氛热压炉中进行致密化钎焊烧结，冷却后完成铝-金刚石复合体致密化钎焊烧结；
S5、表面镀：将步骤S4中铝-金刚石复合体依次进行表面研磨、清洗、表面化学镍金，完成铝-金刚石封装基板的制备，表面粗糙度Ra≤0.6。
本发明进一步设置为：在S1步骤中，金刚石粉粒径为300-600μm，丝网孔径为400-800μm，单面涂覆的金刚石占有面积为60-75%，铝片厚度为0.3-0.6mm。
本发明进一步设置为：在S2步骤中，加压的压力值为40-60Mpa；加压后的铝-金刚石复合体厚度为1.5-10.0mm。
本发明进一步设置为：在S3步骤中，排胶温度为300-450℃，保温2-5h并随炉冷却。
本发明进一步设置为：在S4步骤中，烧结参数为真空度＜0.01Pa，升温至590-630℃ 垂直压力50-80Mpa 保温30-90min。
本发明进一步设置为：所述铝硅合金箔为4043或4047合金箔，厚度为50-70μm。
本发明进一步设置为：所述胶黏剂为15%丙烯酸树脂胶黏剂，涂布厚度为3-5μm。
本发明进一步设置为：所述金刚石粉为天然金刚石或人造金刚石，热导率1000-2200W/mk；铝片为含铝量≥99.99%且表面硬度为20-30HV。
本发明进一步设置为：在S5步骤中，化学镍金层厚度为镍层为3-9μm，金层厚度为0.045-0.065μm。
本发明同时提供一种复合材料，由上述的步骤制造获得。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明通过冷压使金刚石穿透铝硅合金片嵌入铝基体使得基体与金刚石紧密结合，热压钎焊烧结过程中，层间金刚石颗粒彼此搭接形成有效热传输三维网络，铝的塑性流动与钎焊保证了基板高致密化，实现了铝与金刚石的物理贴合，对比现有技术，避免了高温熔化铝液收缩气孔、疏松等问题，同时金刚石不需要金属化，保持了金刚石高热导率特性，实现了强散热铝-金刚石封装基板的制备。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是实施例一涂覆金刚石预制体A表面图；
图3是实施例一步骤S2铝-金刚石复合体截面图；
图4是实施例一步骤S3致密化钎焊烧结截面图；
图5是实施例一步骤S4表面镀样品图；
图6是对比例一样品图；
图7是对比例二涂覆金刚石预制体①表面图；
图8是对比例二步骤S4致密化钎焊烧结失败表面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一：一种铝-金刚石封装基板的制备方法，其工艺流程如附图1所示：包括以下步骤：
S1、涂覆金刚石预制体制备：
铝硅合金箔（40×40mm的方形片）单面涂布胶黏剂，将金刚石粉的单颗粒通过丝网网孔粘附在胶黏剂上，制备单面涂覆单层金刚石铝硅合金箔预制体记为A，取铝片（40×40mm的方形片）清洗备用，记为B，金刚石粉粒径为300-400μm，丝网孔径为500μm，单面涂覆的金刚石占有面积为62%，铝片厚度为0.35mm，如附图2所示为涂覆金刚石预制体A表面状态图；
步骤S1中，铝硅合金箔为4043或4047合金箔，厚度为70μm；
步骤S1中，胶黏剂为15%丙烯酸树脂水溶液，采用3μm涂布棒进行直接涂布，厚度为3μm；
步骤S1中，金刚石粉为天然金刚石或人造金刚石，热导率1800W/mk；
步骤S1中，丝网为30目不锈钢丝网，孔径为500μm；
步骤S1中，铝片，含铝量≥99.99%，状态为O态，表面硬度为20HV1；
步骤S1中，清洗备用为，依次采用10%NaoH 水溶液浸泡2-3min ，30%硝酸水溶液清洗30-60s，纯水洗，热风烘干后备用；
S2、铝-金刚石复合体制备：
将步骤S1的预制体A与高纯铝片B相互间隔，按照B/A/B/A…/B进行叠合，置于冷压机中进行垂直方向加压冷压，压力为45Mpa，制备铝与金刚石相互嵌入的铝-金刚石复合体，厚度为3.5mm；
具体的：选取9片高纯铝片B，8片预制体A进行B/A/B/A…/B 重叠叠合，放置于具有40×40mm的方形槽的304不锈钢压片治具中，进行垂直方向冷压加压，保压5min时间后取出，制备了铝与金刚石相互嵌入的铝-金刚石复合体，截面嵌入结构如附图3所示；
S3、铝-金刚石复合体低温排胶：
将步骤S3的铝-金刚石复合体在空气气氛中低温除胶，垂直压力3Mpa，温度为350℃保温2-5h，随炉冷却；
S4、致密化钎焊烧结：
将步骤S3中的铝金刚石复合体在真空气氛热压炉中进行致密化钎焊烧结，真空度为0.004~0.008Pa，垂直压力60.0Mpa，温度610℃，保温60min，随炉冷却至室温取出，完成铝-金刚石复合体致密化钎焊烧结；样品纵向截面如附图4所示；
S5、表面镀：
将步骤S4中铝-金刚石复合体依次进行表面研磨、清洗、表面化学镍金，完成铝-金刚石封装基板的制备，样品如附图5所示；
具体的，将步骤S4的样品采用2000目水磨砂纸进行表面研磨，配置10%NaOH 溶液浸泡碱洗2-3min，30%硝酸溶液浸泡30-45s，然后纯水洗，配置浸锌液（50g/L的NaOH和10g/L的ZnO）浸泡30-40S，纯水洗，30%硝酸溶液浸泡，浸锌液二次浸泡浸锌，水洗，化学镀镍金（购自日本上村化学化学镍金药水）镀镍浸泡30-40min 温度80-85℃，镀金液浸泡25-40min 镍层为5.5μm，金层厚度为0.045-0.065μm。
以上便完成了铝-金刚石封装基板的制备，并获得铝-金刚石复合材料。
对比例一：
采用热压熔渗法制备，即在真空热压炉的模具中放置金刚石堆积3.5mm厚度，预热至650℃，采用700℃熔融铝液倒入模具中，采用加压压头直接作用于铝液表面，使铝液渗入金刚石，随炉冷却，完成铝-金刚石复合体的熔渗法烧结，获得样品，样品如附图6所示。
性能对比：
将实施例一与对比例一的样品分别取出，进行宏观观察、显微观察、热导率测试。
对比例一，样品表面存在大量金刚石浮凸颗粒，轻微研磨后，显微观察，存在较多气孔夹杂等缺陷，无法上镀，热导率测试值为394.5W/mk，无法满足商用要求≥500w/mk。
实施例一，样品表面仍然保持铝的特性，完成表面镀镍，热导率测试620.8w/mk，散热性能满足商用要求。
对比例二：
S1 涂覆金刚石预制体制备：
铝硅合金箔（φ20mm的圆片）单面涂布胶黏剂，粒径为300-400μm金刚石颗粒直接粘附在胶黏剂上，制备单面涂覆金刚石铝硅合金箔预制体记为①；高纯铝片（φ20mm的圆片）清洗备用，记为②，金刚石粉粒径为300-400μm，丝网孔径为500μm，单面涂覆的金刚石占有面积为90%，高纯铝片厚度为0.35mm，其状态如附图7所示；
具体的：步骤S1，铝硅合金箔为4043或4047合金箔，厚度为70μm；
步骤S1，胶黏剂为15%丙烯酸树脂，采用3μm涂布棒进行直接涂布，厚度为3μm；
步骤S1，金刚石粉为天然金刚石或人造金刚石，热导率1800W/mk；
步骤S1高纯铝片，含铝量≥99.99，状态为O态，表面硬度为20HV1；
步骤S1清洗备用为，依次采用10%NaOH 水溶液浸泡2-3min，30%硝酸水溶液清洗30-60s，纯水洗，热风烘干后备用；
S2 铝-金刚石复合体制备：
将步骤S1的预制体①与高纯铝片②相互间隔，按照②/①/②/①…/②进行叠合，置于冷压机中进行垂直方向加压冷压，压力为45Mpa，制备铝与金刚石相互嵌入的铝-金刚石复合体，厚度为3.5mm；
具体的：选取9片高纯铝片②，8片预制体①进行②/①/②/①…/②重叠叠合，放置于内径为20mm的304不锈钢压片治具中，进行垂直方向冷压加压，保压5min时间后取出，制备了铝-金刚石复合体；
S3铝-金刚石复合体低温排胶：
将步骤S2的铝-金刚石复合体在空气气氛中低温除胶，垂直压力3Mpa，温度为350℃保温2-5h，随炉冷却；
S4 致密化钎焊烧结：
将步骤S3中的铝金刚石复合体在真空气氛热压炉中进行致密化钎焊烧结，真空度为0.004~0.008Pa，垂直压力60.0Mpa，温度610℃，保温90min，随炉冷却至室温取出，完成铝-金刚石复合体致密化钎焊烧结；
参照图8，产品为致密化钎焊烧结失败时的表面状态图；
与实施例一比较，对比例二采用相同的粒径300-400μm的金刚石粉，采用铝硅合金箔直接涂覆金刚石后冷压钎焊成型的方法，单面涂覆的金刚石占有面积为90%，金刚石完成铝-金刚石复合体的烧结；但是烧结后的产品无法使用。
本发明的关键在于1.制备单层金刚石-铝硅箔预制体，与高纯铝片相间叠片冷压，使得金刚石与铝片相互嵌入，铝片厚度与金刚粒径相当，预制体中60%-75%的金刚石涂覆面积，可以满足层间金刚石的紧密衔接形成金刚石三维传热网络结构；2.引入铝硅合金箔作为钎焊箔，在钎焊烧结过程中，铝硅箔熔化流动填充间隙，实现相邻高纯铝片之间的焊接；另外热压50-80Mpa条件下，铝的塑性流动使得铝与金刚石实现了物理贴合，致密度更高；3.本发明中金刚石粒径尺寸与的纯铝厚度具有一致性，保证金刚石的可穿透铝箔实现相间金刚石相互搭接，涂覆面积60%-75%可保证金刚石顺利嵌入高纯铝基体中，具有关键参数特征；4.通过选择合适厚度的铝片，采用钎焊的原理，实现低温（低于铝的熔点）工艺制备铝-金刚石封装基板，表面仍然保持为高纯铝的状态，无金刚石颗粒浮凸，具有良好的直接表面化学镀镍或者镍金的能力，满足封装基板的可焊性使用要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种铝-金刚石封装基板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、涂覆金刚石预制体制备：取铝硅合金箔单面涂覆胶黏剂，将金刚石粉的单颗粒通过丝网网孔粘附在胶黏剂上，制备单面涂覆单层金刚石铝硅合金箔预制体记为A，取铝片清洗备用，记为B；
S2、铝-金刚石复合体制备：将步骤S1的A与B相互间隔，按照B/A/B/A…/B进行多片叠合，置于冷压机中进行垂直方向加压冷压，制备铝与金刚石相互嵌入的铝-金刚石复合体；
S3、铝-金刚石复合体低温排胶：将步骤S2的铝-金刚石复合体置于空气气氛的马弗炉中除胶；
S4、致密化钎焊烧结：将S3中的铝-金刚石复合体在真空气氛热压炉中进行致密化钎焊烧结，冷却后完成铝-金刚石复合体致密化钎焊烧结；
S5、表面镀：将步骤S4中铝-金刚石复合体依次进行表面研磨、清洗、表面化学镍金，完成铝-金刚石封装基板的制备，表面粗糙度Ra≤0.6；
在S1步骤中，金刚石粉粒径为300-600μm，丝网孔径为400-800μm，单面涂覆的金刚石占有面积为60-75%，铝片厚度为0.3-0.6mm；
在S2步骤中，加压的压力值为40-60Mpa；加压后的铝-金刚石复合体厚度为1.5-10.0mm；
在S3步骤中，排胶温度为300-450℃，保温2-5h并随炉冷却；
在S4步骤中，烧结参数为真空度＜0.01Pa，升温至590-630℃，垂直压力50-80Mpa，保温30-90min；
所述铝硅合金箔为4043或4047合金箔，厚度为50-70μm。
2.根据权利要求1所述的一种铝-金刚石封装基板的制备方法，其特征在于：所述胶黏剂为15%丙烯酸树脂胶黏剂，涂布厚度为3-5μm。
3.根据权利要求1所述的一种铝-金刚石封装基板的制备方法，其特征在于：所述金刚石粉为天然金刚石或人造金刚石，热导率1000-2200W/mk；铝片为含铝量≥99.99%且表面硬度为20-30HV。
4.根据权利要求1所述的一种铝-金刚石封装基板的制备方法，其特征在于：在S5步骤中，化学镍金层厚度为镍层为3-9μm，金层厚度为0.045-0.065μm。
5.一种复合材料，其特征在于：由权利要求1-4任一项所述的铝-金刚石封装基板的制备方法制备得到。
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