CN1184040C - 用于电子器件的基板材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及粉末冶金方法制备电子器件的封装材料，其特征在于：先制备带孔隙的钨(钼)骨架，再利用毛细作用使液态金属铜填充孔隙，其技术关键在于制备具有预定生坯密度且没有闭孔隙的生坯，本方法制备的基板材料，致密度高，导热导电性能优良，具有满意的强度和硬度，全面满足现代功率器件的封装需要，本发明工艺简单，降低了生产成本，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金方法制备电子器件的封装材料，具体地说，是制造一种致密度很高、热膨胀系数与电子器件中其它材料相匹配的散热基板材料。
背景技术
以往方法工艺复杂、技术难度大，都利用了液相烧结原理，均存在着两个问题：
(1)达到高致密度(97％以上)需要超细原料粉末、活化元素，这样后果是成本高昂、性能下降；
(2)容易导致材料的成分不均，影响热膨胀系数性能的一致性。
发明内容
本发明的目的在于克服传统技术所难以解决的致密度问题；实现热膨胀系数的精确控制，得到热导率高、膨胀系数与Si、GaAs等芯片材料相匹配的电子封装散热基板材料。
本发明的制备方法是将普通工业钨粉在800-1400℃湿氢处理0.5-3小时；然后在400-2000MPa的压力下直接压制成生坯，生坯再经过600-1400℃干氢中预烧，去除油污、水汽和氧化物等杂质；紧接着在烧结炉中熔渗金属铜，熔渗温度为1100-1600℃，熔渗时间为0.5-5小时；冷却后即得钨铜基板材。
本发明上述钨铜基板材的制备方法也适用于钼铜基材料的制备。
本发明的上述方法同样适用于用银取代铜制备基板材，能够得到更高导热导电性能的材料。
本发明所采用的直接高压成型方法，精确地控制了材料中W或Mo与Cu的相对百分含量，消除了妨碍液态Cu渗入的闭孔隙；与已有技术相比，其优点和积极效果主要表现为：
(1)用本发明制备的材料，致密度可达99％以上，保证了材料的气密性和导热导电性能；
(2)本发明所制备的钨(钼)铜材料，钨(钼)的百分含量可以精确地控制在±1wt％的范围内，而且，整块材料内的成分差异和多块材料之间的成分差异都小，从而保证了材料性能的一致性；
(3)本发明工艺简单，去掉了传统方法中繁琐的造粒、脱胶等工艺，降低了生产成本，提高了生产效率。
具体实施方式
本发明采用的工艺路线是，先制备带孔隙的钨钼骨架，即生坯，再利用毛细作用使液态金属铜填充孔隙。
众所周知，粉末冶金产品都要经过生坯制造这个环节。这其中存在一个规律，即所谓Helkel公式P＝[-ln(1-D)-A]/K，当把压力P增大时，压制后的生坯密度D也会增大。
本发明就是利用该原理，利用压力来控制生坯密度，从而有效控制材料的成分和性能。但是，常规工业钨粉的承压能力差，一般只能承受200-400MPa的压力，进一步加压会使生坯分层、开裂。
本发明采用湿氢预处理解决了这一难题，具体是将普通工业钨粉或工业钼粉在800-1400℃湿氢即含大量水蒸气中处理0.5-3小时。处理后的钨粉可承受高达2000MPa的高压，然后在400-2000MPa的压力下直接压制成生坯，这种生坯闭孔隙极少。生坯再经过600-1400℃干氢中预烧，去除油污、水汽和氧化物等杂质；紧接着在烧结炉中熔渗金属铜，熔渗温度为1100-1600℃，熔渗时间为0.5-5小时；冷却后即得钨铜或钼铜基板材料。
实施例：
实施例1：制备W-15Cu基板材料
将费氏粒度4.1μm工业钨粉置钼丝炉中在湿氢气氛下以1200℃处理1小时；处理后的钨粉在915MPa的压力下被直接压成了75×50×4mm的生坯，其密度为72.46％T.D.，其间未加任何增塑剂和润滑剂。
再把生坯在干氢中进行1200℃的预烧1小时，去除油污、水汽，还原残留氧化物；然后将相应重量的铜块放在生坯下面，升温至1350℃，保护气氛为氢气，保温1小时，冷却后即得到W-15Cu散热基板材料。
经检测，材料中含钨85％，含铜15％。其各项性能指标如表一。
可见，用本发明所述的方法制备的钨铜或钼铜材料，致密度高，导热导电性能优良，具有满意的强度和硬度，全面满足现代功率器件的封装需要。
实施例2：制备Mo-15Cu基板材料
将费氏粒度2.0μm的工业钼粉在湿氢气氛中900℃处理40分钟；处理后的钼粉被直接压成Φ50×4mm的生坯，所施压力为700MPa，未加任何增塑剂和润滑剂，可得到83.27％T.D.的生坯密度。
把生坯在干氢中进行1000℃的预烧，去除油污、水汽，还原残留氧化物；然后将相应重量的铜块放在生坯下面，升温至1350℃，保护气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氮气25vol.％，氢气75vol.％，保温1小时，冷却后即可得到Mo-15Cu散热基板材料。
表1实施例所得材料的性能指标
| 材料 | W-10Cu | W-15Cu | Mo-15Cu |
| 热膨胀系数(20-400℃)，ppm/K | 6.5 | 7.0 | 7.1 |
| 热导率，W·m/K | 167 | 199 | 170 |
| 致密度，％T.D. | 99.75 | 99.7 | 99.0 |
| 电阻率，μΩ·cm | - | 4.10 | - |
| 维氏硬度，HV10 | - | 304 | - |
| 抗弯强度，MPa | - | 1387 | - |
经检测，材料中含钼85％，含铜15％。其各项性能指标如表1所示。
实施例3：制备W-10Cu
将费氏粒度4.1μm工业钨粉，于钼丝炉中在湿氢气氛下1300℃处理2小时；处理后钨粉在1800MPa的压力下被直接压成了23×10×3mm的生坯；生坯密度为80.69％T.D.，其间未加任何增塑剂和润滑剂；
把生坯在干氢中进行1200℃的预热，去除油污、水汽，还原残留氧化物；然后将相应重量的铜块放在生坯下面，升温至1350℃，保护气氛为真空，保温1小时，冷却后即可得到W-10Cu散热基板材料。
经检测，材料中含钨90％，含铜10％。其各项性能指标也列于表1中。
实施例4：制备W-20Ag
采用费氏粒度4.1μm工业钨粉，于钼丝炉中在湿氢气氛下1300℃处理2小时。处理后的钨粉在800MPa的压力下被直接压成了23×10×3mm的生坯。生坯密度为68.5％T.D.，其间未加任何增塑剂和润滑剂。
把生坯在干氢中进行1200℃的预烧，去除油污、水汽，还原残留氧化物。然后将相应重量的银块放在生坯下面，升温至1300℃，保护气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氮气25vol.％，氢气为75vol.％，保温1小时，冷却后即可得到W-20Ag散热基板材料。
经检测，材料中含钨80％，含银20％。
Claims (5)
1.用于电子器件的基板材料的制造方法，其特征在于：将普通工业钨粉或工业钼粉在800-1400℃湿氢处理0.5-3小时；然后在400-2000MPa的压力下直接压制成生坯，生坯再经过600-1400℃干氢中预烧，去除油污、水汽和氧化物杂质；紧接着在烧结炉中熔渗金属铜，熔渗温度为1100-1600℃，熔渗时间为0.5-5小时；冷却后即得钨铜或钼铜基板材料。
2.根据权利要求1所述的用于电子器件的基板材料的制造方法，其特征在于：将费氏粒度4.1μm工业钨粉置钼丝炉中在湿氢气氛下以1200℃处理1小时；处理后的钨粉在915MPa的压力下被直接压成了75×50×4mm的生坯；再把生坯在干氢中进行1200℃的预烧1小时，去除油污、水汽，还原残留氧化物；然后将相应重量的铜块放在生坯下面，升温至1350℃，保护气氛为氢气，保温1小时，冷却后即得到W-15Cu散热基板材料。
3.根据权利要求1所述的用于电子器件的基板材料的制造方法，其特征在于：将费氏粒度2.0μm的工业钼粉在湿氢气氛中900℃处理40分钟；处理后的钼粉被直接压成Φ50×4mm的生坯，所施压力为700MPa；把生坯在干氢中进行1000℃的预烧，去除油污、水汽，还原残留氧化物；然后将相应重量的铜块放在生坯下面，升温至1350℃，保护气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氮气25vol.％，氢气75vol.％，保温1小时，冷却后即可得到Mo-15Cu散热基板材料。
4.根据权利要求1所述的用于电子器件的基板材料的制造方法，其特征在于：将费氏粒度4.1μm工业钨粉，于钼丝炉中在湿氢气氛下1300℃处理2小时；处理后钨粉在1800MPa的压力下被直接压成了23×10×3mm的生坯；再把生坯在干氢中进行1200℃的预热，去除油污、水汽，还原残留氧化物；然后将相应重量的铜块放在生坯下面，升温至1350℃，保护气氛为真空，保温1小时，冷却后即可得到W-10Cu散热基板材料。
5.用于电子器件的基板材料的制造方法，其特征在于：采用费氏粒度4.1μm工业钨粉，于钼丝炉中在湿氢气氛下1300℃处理2小时；处理后的钨粉在800MPa的压力下被直接压成了23×10×3mm的生坯；把生坯在干氢中进行1200℃的预烧，去除油污、水汽，还原残留氧化物；然后将相应重量的银块放在生坯下面，升温至1300℃，保护气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氮气25vol.％，氢气为75vol.％，保温1小时，冷却后即可得到W-20Ag散热基板材料。
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