CN1300046C - 一种氧化铝－金刚石复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化铝－金刚石复合材料的制造方法，属无机复合材料制造工艺技术领域。本发明的制备工艺方法，其特征在于先由金刚石微粉均匀分布于纯氧化铝陶瓷体系中并通过热压烧结制成两相共存的复合基底，然后在此复合基底上，用热丝化学气相沉积法生长金刚石薄膜，最终制成具有大面积金刚石薄膜的氧化铝－金刚石复合材料；本发明的具体步骤包括：纯氧化铝陶瓷体系的制备、添加助烧剂、合成煅烧、添加金刚石微粉、复合基底的热压烧结、化学气相沉积金刚石薄膜，最后制成本发明的新型氧化铝－金刚石复合材料。本发明的复合材料适合于制作大规模集成电路的基片材料，可用作封装管壳的基片材料。
Description
技术领域：
本发明涉及一种氧化铝-金刚石复合材料的制造方法，属无机复合材料制造工艺
技术领域。
背景技术：
在超大规模集成电路(VLSI)业已进入商品化时代，以及集中反映在存储器、微处理器和专用集成电路三大领域里的特大规模集成电路(ULSI)朝着高集成、高速、高性能系统集成和全片规模集成(WSI)方向发展的同时，芯片的面积也由最初的几平方毫米增大了上百倍。随着集成度的不断提高单个元件尺寸不断减小，单位面积的热耗散量愈来愈大。)这就要求制作封装管壳的基片材料具有极高的热导率以便及时地将芯片所产生的热量散发出去。
作为集成电路基片材料要求具有特殊的性能：高热导率、低介电常数、低损耗、低膨胀等。封装材料的种类有很多，常用材料包括陶瓷、环氧玻璃、金刚石等。
高纯氧化铝陶瓷具有刚玉结构属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，并具有介质损耗较低、绝缘电阻高、热膨胀系数小、硬度和机械强度高等特点，因此氧化铝陶瓷仍然是应用最多的基片材料，但是它的导热较低、介电系数较高大(9.8)、烧结温度高1700℃，对发展高密度、微型化极为不利。
金刚石是由四面体配位碳原子组成的共价晶体，导热率是所以物质中最高的，是Al2O3的近100倍，常温下电阻极高(1014Ωcm)，具有极低的介电损耗，热膨胀系数与单晶硅相接近。是目前电子器件电路和系统中最理想的封装基片。)但是天然金刚石价格极其昂贵，且能提供的面积非常小，因此只用于极其特殊的场合。目前用化学气相沉积法、溅射法、微波法等制备的金刚石膜的性能已接近天然金刚石，因此用金刚石膜为基础的复合材料制备高导热、低介电常数的基片是一种性价比很高的选择。
由于氧化铝陶瓷与金刚石的热膨胀系数存在较大的差别，晶体结构不同，在氧化铝陶瓷表面生长金刚石膜明显存在以下问题：(1)膜与基底在加热或冷却过程中容易产生剥落；(2)氧化铝陶瓷表面较难形成金刚石晶核，不易形成大面积金刚石膜；(3)金刚石膜的连续性较差石墨相含量较高。为了解决以上问题一般采用在氧化铝陶瓷基表面机械渗透金刚石微粉作为晶核剂，但很难使晶核剂均匀分布，从而使金刚石膜的均匀性受到影响。因此研究适合生长大面积金刚石膜的基底就成为当前研究的课题。
发明内容：
本发明的目的之一在于提供一种能适合生长大面积金刚石薄膜的基底，并通过化学气相沉积金刚石薄膜，形成一种新型的氧化铝-金刚石复合材料。
本发明的目的之二在于提供一种使金刚石颗粒弥散均匀分布于氧化铝陶瓷体系中而形成复合基底的工艺方法。
本发明的目的之三在于提供一种新型的氧化铝-金刚石复合材料的制造工艺全过程和方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氧化铝-金刚石复合材料的制造方法，其特征在于先由金刚石微粉均匀分布于纯氧化铝陶瓷体系中构成两相共存的复合基底，然后在此复合基底上，用热丝化学气相沉积法生长金刚石薄膜，最终制成具有大面积金刚石薄膜的氧化铝-金刚石复合材料；该方法包括有以下工艺步骤：
a.纯氧化铝陶瓷粉体的制备：将纯度为99.99％的纳米氧化铝粉体进行煅烧转相处理，煅烧温度为1200-1300℃，且保温1-3小时，然后在已煅烧的纳米氧化铝粉体中按其重量添加0.2-0.4％的氧化镁和0.1-0.2％的氧化镧，并放入氧化铝球磨桶内，以料∶球∶水＝1∶1.5∶1的比例加入纯氧化铝球和去离子水，以150-250转/分钟的转速进行球磨，球磨时间16-24小时，然后出料，进行烘干；将烘干后的干料过60目标准筛，将所得粉料放入氧化铝坩埚内，并置于硅碳棒电炉内，在空气气氛下，进行煅烧，煅烧温度为1200-1300℃，并保温1-3小时，最终得合成的纳米纯氧化铝陶瓷粉体；
b.添加金刚石微粉：在上述合成的纳米氧化铝陶瓷粉体中，按其重量加入1.0-5.0％的金刚石微粉，并装入氧化铝球磨桶内，以料∶球∶液＝1∶1∶0.8的比例分别加入氧化铝球和乙醇，以150-250转/分钟的转速进行球磨，球磨时间16-24小时，然后出料，进行烘干；
c.复合基体的制备：将上述混合粉末装入耐油塑料模内，在15-25MPa压力下等静压，然后将料块捣碎过20目标准筛，再将粉体装入石墨模内，在氩气气氛下，热压烧结，烧结温度为1400-1440℃，且保温60-80分钟，最终得氧化铝和金刚石组成的复合基体；
d.化学气相沉积金刚石薄膜，在上述的氧化铝和金刚石组成的复合基体上，采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石薄膜，得到厚度为10μm的金刚石薄膜，最后制成一种氧化铝-金刚石复合材料。
上述的一种氧化铝-金刚石复合材料的制造方法，其特征在于所述的热丝化学气相沉积法，沉积金刚石薄膜的条件是：钨丝距离复合基体7mm，钨丝温度1950℃，复合基体温度保持在800℃，输入混合气体中的乙醇和氢气的体积比为0.8∶100，沉积室的气压为2.7Kpa，沉积时间为40小时。
本发明的工艺过程中，加入的氧化镁和氧化镧是作为烧结助剂而加入的。
由于纯氧化铝陶瓷的烧结温度很高(一般为1700-1800)，在此温度下金刚石大量石墨化，因此在本发明方法中，采用高活性的纳米粉体、添加烧结助剂、热压烧结等手段以有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度，以防止金刚石的石墨化。
在热压烧结过程中，用氩气气氛保护，是为了防止金刚石氧化和石墨化。
同现有的技术相比，本发明具有如下显著优点：
1.由于在氧化铝体系中加入金刚石微粉，解决了金刚石薄膜的成核剂问题，使大面积生长金刚石膜得以顺利实现。
2.由于金刚石微粒均匀分布于复合基片中，可以有效减少金刚石膜的缺陷密度，使获得的金刚石膜平整性好，性能优于在普通氧化铝基片上生长的金刚石膜。
3.由于氧化铝/金刚石复合基底的膨胀系数比普通氧化铝陶瓷明显减小，缩小了金刚石膜与基底间膨胀系数之差，能有效防止膜的剥落。
4.由于氧化铝/金刚石复合基片的热导率较普通氧化铝陶瓷高，从而用复合基片生长的金刚石膜上制成的集成电路的功率可以更大。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后：
实施例一：本实施例的具体工艺步骤如下：
a.纯氧化铝陶瓷粉体的制备：将纯度为99.99％的纳米氧化铝粉体进行煅烧转相处理，煅烧温度为1250℃，且保温2小时，然后将已煅烧的纳米氧化铝粉体按其重量添加0.3％的氧化镁和0.15％的氧化镧，并放入氧化铝球磨桶中，以料∶球∶水比为1∶1.5∶1的比例加入纯氧化铝球和去离子水，以200转/分钟的转速球磨，球磨时间20小时，然后出料烘干；将烘干后的干料过60目标准筛，将所得粉料放入氧化铝坩埚内，并置于硅碳棒电炉内，在空气气氛下进行煅烧，煅烧温度为1250℃，并保温2小时。得到合成的纳米纯氧化铝陶瓷粉体。
b.添加金刚石微粉：在合成的纯氧化铝陶瓷粉体中，按其重量加入1.0％、粒度分布为300-500nm的金刚石微粉，并装入氧化铝球磨桶内，以料∶球∶液比为1∶1∶0.8的比例分别加入氧化铝球和乙醇，以200转/分钟的转速进行球磨，球磨时间为20小时，然后出料烘干，进行烘干。
c.复合基体的烧结：将上述混合粉末装入耐油塑料模内，在20MPa压力下等静压，然后将料块捣碎过20目标准筛，再将粉体装入石墨模内，氩气氛下热压烧结，烧结温度为1420℃，并保温70分钟，得到氧化铝和金刚石组成的复合基体，复合基体的体积密度3.81g/cm3。
d.化学气相沉积金刚石薄膜：在上述方法制得的氧化铝/金刚石组成的复合基体上采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石薄膜，得到厚度为10μm、光洁、致密的金刚石薄膜，最后即制成一种氧化铝-金刚石复合材料。
热丝化学气相沉积法沉积金刚石薄膜的工艺条件为：钨丝距离复合基体7mm、钨丝温度1950℃、复合基体温度为800℃，输入的混合气体中，乙醇和氢气的体积比为0.8∶100，沉积气压在2.7kPa，沉积时间40小时。
实施例二：本实施例与上述实施例基本相同，所不同之处在于：
a.纯氧化铝陶瓷份体的制备：将纯度为99.99％的纳米氧化铝粉体进行煅烧转相处理，煅烧温度为1250℃，且保温2小时，然后将已煅烧的纳米氧化铝粉体按其重量添加0.4％的氧化镁和0.2％的氧化镧，并放入氧化铝球磨桶中，以料∶球∶水比为1∶1.5∶1的比例加入纯氧化铝球和去离子水，以200转/分钟的转速球磨，球磨时间24小时，然后出料烘干；将烘干后的干料过60目标准筛，将所得粉料放入氧化铝坩埚内，并置于硅碳棒电炉内，在空气气氛下进行煅烧，煅烧温度为1250℃，并保温2小时。得到合成的纳米纯氧化铝陶瓷体。
b.添加金刚石微粉：在合成的纯氧化铝陶瓷粉体中，按其重量加入3.0％、粒度分布为300-500nm的金刚石微粉，并装入氧化铝球磨桶内，以料∶球∶液比为1∶1∶0.8的比例分别加入氧化铝球和乙醇，以200转/分钟的转速进行球磨，球磨时间为20小时，然后出料烘干，进行烘干。
c.复合基体的烧结：将上述混合粉末装入耐油塑料模内，在20MPa压力下等静压，然后将料块捣碎过20目标准筛，再将粉体装入石墨模内，氩气氛下热压烧结，烧结温度为1420℃，并保温70分钟，得到氧化铝和金刚石组成的复合基体，复合基体的体积密度3.78g/cm3。
d.化学气相沉积金刚石薄膜：在上述方法制得的氧化铝/金刚石组成的复合基体上采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石薄膜，得到厚度为10μm、光洁、致密的金刚石薄膜，最后即制成一种氧化铝-金刚石复合材料。
实施例三：本实施例与上述实施例基本相同，所不同之处在于：
a.纯氧化铝陶瓷粉体的制备：将纯度为99.99％的纳米氧化铝粉体进行煅烧转相处理，煅烧温度为1250℃，且保温2小时，然后将已煅烧的纳米氧化铝粉体按其重量添加0.2％的氧化镁和0.1％的氧化镧，并放入氧化铝球磨桶中，以料∶球∶水比为1∶1.5∶1的比例加入纯氧化铝球和去离子水，以200转/分钟的转速球磨，球磨时间24小时，然后出料烘干；将烘干后的干料过60目标准筛，将所得粉料放入氧化铝坩埚内，并置于硅碳棒电炉内，在空气气氛下进行煅烧，煅烧温度为1250℃，并保温2小时。得到合成的纳米纯氧化铝陶瓷粉体。
b.添加金刚石微粉：在合成的纯氧化铝陶瓷体中，按其重量加入1.0％、粒度分布为300-500nm的金刚石微粉，并装入氧化铝球磨桶内，以料∶球∶液比为1∶1∶0.8的比例分别加入氧化铝球和乙醇，以200转/分钟的转速进行球磨，球磨时间为20小时，然后出料烘干，进行烘干。
c.复合基体的烧结：将上述混合粉末装入耐油塑料模内，在200MPa压力下等静压，然后将料块捣碎过20目标准筛，再将粉体装入石墨模内，氩气氛下热压烧结，烧结温度为1420℃，并保温70分钟，得到氧化铝和金刚石组成的复合基体，复合基体的体积密度3.78g/cm3。
d.化学气相沉积金刚石薄膜：在上述方法制得的氧化铝/金刚石组成的复合基体上采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石薄膜，得到厚度为10μm、光洁、致密的金刚石薄膜，最后即制成一种氧化铝-金刚石复合材料。
本发明方法制得的具有大面积金刚石膜的氧化铝陶瓷-金刚石复合材料完全适合于制作大规模集成电路的基片材料，可用作封装管壳的基片材料。
通过拉曼光谱测试结果表明：在本发明方法制备的氧化铝/金刚石复合基底上生长的金刚石膜于1340cm-1附近呈尖锐的金刚石拉曼峰，与1550cm-1附近的非晶碳峰相比，金刚石相对纯度达到99.2-99.7％，而在渗碳的氧化铝基底上生长的金刚石膜在1550cm-1附近存在明显的弥散形非晶碳峰，表明非金刚石相含量较高。
Claims (2)
1.一种氧化铝-金刚石复合材料的制造方法，其特征在于先由金刚石微粉均匀分布于纯氧化铝陶瓷体系中构成两相共存的复合基底，然后在此复合基底上，用热丝化学气相沉积法生长金刚石薄膜，最终制成具有大面积金刚石薄膜的氧化铝-金刚石复合材料；该方法包括有以下工艺步骤：
a.纯氧化铝陶瓷粉体的制备：将纯度为99.99％的纳米氧化铝粉体进行煅烧转相处理，煅烧温度为1200-1300℃，且保温1-3小时，然后在已煅烧的纳米氧化铝粉体中按其重量添加0.2-0.4％的氧化镁和0.1-0.2％的氧化镧，并放入氧化铝球磨桶内，以料∶球∶水＝1∶1.5∶1的比例加入纯氧化铝球和去离子水，以150-250转/分钟的转速进行球磨，球磨时间16-24小时，然后出料，进行烘干；将烘干后的干料过60目标准筛，将所得粉料放入氧化铝坩埚内，并置于硅碳棒电炉内，在空气气氛下进行煅烧，煅烧温度为1200-1300℃，并保温1-3小时，最终得合成的纳米纯氧化铝陶瓷粉体；
b.添加金刚石微粉：在上述合成的纳米氧化铝陶瓷粉体中，按其重量加入1.0-5.0％的金刚石微粉，并装入氧化铝球磨桶内，以料∶球∶液＝1∶1∶0.8的比例分别加入氧化铝球和乙醇，以150-250转/分钟的转速进行球磨，球磨时间16-24小时，然后出料，进行烘干；
c.复合基体的制备：将上述混合粉末装入耐油塑料模内，在15-25MPa压力下等静压，然后将料块捣碎过20目标准筛，再将粉体装入石墨模内，在氩气气氛下，热压烧结，烧结温度为1400-1440℃，且保温60-80分钟，最终得氧化铝和金刚石组成的复合基体；
d.化学气相沉积金刚石薄膜：在上述的氧化铝和金刚石组成的复合基体上，采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石薄膜，得到厚度为10μm的金刚石薄膜，最后制成一种氧化铝-金刚石复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种氧化铝-金刚石复合材料的制造方法，其特征在于所述的热丝化学气相沉积法，沉积金刚石薄膜的条件是：钨丝距离复合基体7mm，钨丝温度1950℃，复合基体温度保持在800℃，输入混合气体中的乙醇和氢气的体积比为0.8∶100，沉积室的气压为2.7KPa，沉积时间为40小时。
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