CN1392219A - 高热导性复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

高热导性复合材料，含有占20～75％体积比的SiC和占其余体积比的Cu，和介于该SiC和Cu界面上的防止两者反应的防反应层，上述防反应层是由碳，或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物形成的厚度为0.01～10微米的薄膜形成的。另外热膨胀系数为4.5～10×10－6/K，热导率为200W/mK以上。

Description

高热导性复合材料及其制备方法
发明所属的技术领域
本发明涉及最适宜作为电子仪器或半导体设备的散热器材料或封装材料等放热用材料的，具有低热膨胀性和高热导性的SiC-Cu类复合材料及其制备方法。
现有技术的记载
伴随着半导体元件的高集成化和高速化，元件的发热量不断增加。由于元件的温度上升成为误操作或故障的原因，正在作多方努力进行放热技术的开发，在材料方面，正在开发各种具有高热导性的材料。但是，近年来对散热材料的要求越来越高，正处于寻求开发根据情况要求超过250W/mK的高热导率等的新材料的状况。
另外，这类放热用材料，由于是与其它材料的连接状态下使用的，不仅热导率要高，而且为了不使接合面因热膨胀而断裂，必须是具有与半导体元件相同程度的热膨胀系数的材料。特别地，由于半导体元件中使用的硅或GaAs的热膨胀系数分别为4.2×10-6/K，6.5×10-6/K，在封装材料的情况下，它们也必须具备相同程度的低热膨胀系数。
过去，在这类低热膨胀下要求高热导的部位经常使用的材料是W-Cu复合材料。这类材料由于分别具有高热导率，W具有低热膨胀系数(4.5×10-6/K)，而且，两者的反应或者相互的固溶非常少，因此在W含量高的组成时，能够得到具有低热膨胀系数和比常规高的热导率的复合材料。但是，由于其热导率至高不过200W/mK的程度，就得不到充满满足近年来对散热材料的上述要求的特性。
另一方面，近年来，在作为具有高热导率的材料而备受注目的材料中有碳纤维-Cu复合材料。特别是石墨化的高弹性碳纤维，沿纤维方向的热导率非常高，据说超过了1000W/mK。且纤维方向的热膨胀系数非常小。但是，其具有所谓横向的热导率非常低，同时，热膨胀系数非常大的缺点。这样的碳纤维-Cu复合材料，由于其特性是各向异性的，例如在薄板的散热器中使用时，这类散热器通常要求在厚度方向有高热导且在横向有低热膨胀，但是由于碳纤维仅在纤维方向上满足这两个要求，必须要求用立体编织等方法。此时，由于立体编织的碳纤维材料是多孔的，通过在其中将Cu在其熔点以上的温度下加压溶浸，能够得到致密的碳纤维-Cu复合材料。据报道如此可得到各向同性地同时具备接近300W/mK的热导率和7×10-6/K左右的低热膨胀系数的材料。但是，该材料的制备成本显然非常高。
另一方面，近年来正在发展使用的材料中，有SiC-Al复合材料(例如特开平02-236244号，特开平10-231175号)。该材料具有所谓在低密度下制备成本低的明显特征，同时，热导率较高，热膨胀系数低，但是，由于其组成元素的SiC和Al的热导率至高不过250W/mK左右，不容易得到200W/mK以上的复合材料。
因此，有人提出将SiC和热导率高的Cu组合的复合材料(例如，特开平08-279569号)。但是，SiC和Cu在制备时反应生成Cu的硅化物和碳，并因此热导率大幅度减小。因此，例如在美国专利第6,110,577号中提出的，使制备时要求的温度尽可能低，且通过进行快速复合化，以减少反应的方法，通过该方法得到的SiC-Cu类复合材料。但是，由于即使在Cu中极少量固溶Si，热导率也会大幅度降低，因此该材料的构成元素的最初的高热导率就不能发挥。
因此，现有的材料，近年来由于没有可相应于半导体设备，电子仪器的高速化，大规模化的能够低成本地提供低热膨胀系数和高热导率的材料，正在寻求新材料的出现。
发明概述
本发明是，为充分满足上述要求的粉末，因此，本发明的目的是提供具备高热导性和低热膨胀系数的，适用于作为电子仪器或半导体设备用的散热材料的低成本的高热导性复合材料。
更具体地说，本发明的目的是提供与现有封装材料相对应的，具有低热膨胀系数(4.5～10×10-6/K)，同时具备高热导率(≥200W/mK)的复合材料。
本发明的另一具体目的是在Si-Cu类复合材料中解决了上述反应问题的，低成本地提供低热膨胀系数，高热导率的复合材料。
本发明者们，对SiC-Cu类复合材料的上述问题反复深入研究的结果，发现了下述技术主题，在该发现的基础上完成了本发明。
即，由于热导率主要依赖于散射因素的量，为了得到高热导率，不仅要控制SiC和Cu之间的反应，而且必须保持各相的纯度极高。因此，在制备中必须考虑为防止SiC和Cu反应的方法。
因此，对该方法研究的结果发现，在复合材料中SiC和Cu的界面上具有薄的防反应层结构是有效的，但是，作为构成该防反应层的材料，可知必须选择与SiC和Cu不反应，同时，相对于两相没有实质性固溶的元素或化合物，对此进行深入研究的结果是，作为上述物质，优选碳或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物，通过这样，可以实现高热导率化。另外，Re虽然也是有效的，但存在价格高的问题。
另一方面，对于热膨胀系数，通过形成具有SiC的坚固骨架结构的组织，能够实现所期望的低热膨胀系数(4.5～10×10-6/K)。
在该发现的基础上得到的本发明的高热导性复合材料，其特征是含有占20-75％体积比的SiC和占其余体积比的Cu，和介于SiC和Cu界面之间，防止两者反应的防反应层。
在本发明中，上述防反应层，是由碳或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物制成的厚度为0.01～10微米的薄膜形式形成的。
另外，本发明的复合材料优选，该复合材料的热膨胀系数为4.5～10×10-6/K，热导率为200W/mK以上。
根据本发明的一个具体的实施方式，上述SiC形成骨架结构的多孔质的预成型品形成后，将上述防反应层涂布在预成型品表面上，再将上述Cu溶浸在该预成型品上。
根据本发明的其它具体的实施形式，上述复合材料，是由将涂布了上述防反应层的SiC粉末和Cu粉末的混合粉末加压烧结得到的烧结体构成的。
为了得到上述复合材料，根据本发明，提供了高热导性复合材料的制备方法，其特征在于在形成骨架结构的多孔质的SiC预成型品的内外表面上，涂布与SiC和Cu不反应的，同时，相对于两相没有实质性固溶的元素或化合物制成的防反应层后，在该预成型品上将Cu加压溶浸。
另外，第2种制备方法的特征是在SiC粉末体表面上，涂布与SiC和Cu不反应的，且相对于两相没有实质性固溶的元素或化合物制成的防反应层后，将该SiC粉末体和Cu粉末混合后的混合粉末，在400℃～1000℃的温度下加压烧结。
本发明方法中，上述防反应层，是由碳或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物制成的薄膜，该薄膜涂布成0.01～10微米的厚度。
另外，上述混合粉末，是按照涂布了防反应层的SiC粉末体的体积比为20-75％，其余体积比为Cu粉末的体积比混合形成的。
根据具有上述结构的高热导性复合材料及其制备方法，能够以低的成本得到具有与现有的封装材料等相应的，低热膨胀系数(4.5～10×10-6/K)和高热导性(≥200W/mK)的，适宜作为电子仪器或半导体设备散热材料用的复合材料。
如此得到的本发明复合材料，具有低热膨胀系数，高的热导率，而且，能够以比较低的成本制备，最适宜作为主要是电子仪器或半导体设备中的散热材料或封装材料。
实施例的说明
本发明中的SiC-Cu类的高热导性复合材料，含有占体积比20-75％的SiC，其余体积比为Cu，和介于SiC和Cu的界面上的防止两者反应的防反应层。该复合材料，能够通过各种方法制备，但第1种复合材料，是经过所谓制成SiC预成型品，涂布防反应层，加压溶浸Cu的过程制备的。
上述的SiC预成型品，可以用市售的高纯度SiC原料粉末，通过常用的模具成形等成形方法得到。或者，是然后进行多次烧结固化，或者为了除去表面的二氧化硅，也可以是在2000℃以下的高温假烧处理的产品。但是为了得到高热导率，应该尽可能用高纯度的结晶性良好的SiC构成的预成型品。这样的预成型品，可以用市售的原料粉末制成成形体后，保持在2200℃以上的高温，通过所谓再结晶法而制成。在此情况下，例如使用40微米以上的SiC粗粉和5微米以下的细粉混合后的粉末，由于细粉优先升华再结晶，能够得到具有适宜Cu加压溶浸的比较粗的空隙结构，同时，具有低热膨胀系数的连续的坚固的SiC的骨架结构的预成型品。
作为其他的适宜制作预成型品的方法，是将高纯度Si和C等摩尔比的混合粉末在1400℃以上加热，而生成SiC的反应烧结法。此时，作为碳源的使用高纯度的碳粉和酚树脂或沥青等通过热处理生成的碳的方法，由于能够得到成形性或预成型品的密度高的产品，因此是优选的。另外，作为碳源，可以使用碳纤维，此时，可得到通过连结的SiC得到优异的预成型品。
作为预成型品的相对密度，虽然与SiC的骨架结构有关，但是为了得到低热膨胀系数和高热导率，体积比必须在20-75％，更优选为30-70％。SiC预成型品的体积比在20％以下时，热膨胀系数就达不到10×10-6/K以下，而其体积比超过75％时就难以获得高的热导率。
其次，在这样得到的SiC预成型品的外部及内部的表面，即在该预成型品和在其中溶浸的Cu之间的界面上，涂布防反应层。作为防反应层，优选为由碳或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物。
作为防反应层使用碳时，通过甲烷等的热分解方法是容易的。即，将多孔的预成型品在减压(5KPa左右)的甲烷气流中放置，在1400℃左右加热，1小时左右均匀地涂布上1微米薄的碳。
碳薄膜的涂布，也可以通过酚树脂等的热分解进行。例如，将酚树脂溶解在醇中，将SiC预成型品在其中充分浸渍后，取出，干燥，将其置于惰性气氛中，在500℃左右碳化，能够得到致密的薄膜涂层。
对于薄膜的厚度，优选控制在10微米以下。由于该涂层通常热导率低，因此优选为为防止反应所必须的最低限的厚度。对于下限，理论上为0.01微米就足够了。但是，从制作的容易程度和膜厚度的均一性问题考虑，实际上所必须的膜厚度可以认为是0.1～3微米左右。
另一方面，上述碳化物的预成型品，可以用常规的CVD(气相反应)法得到。例如，通过Cr等金属氯化物的蒸气和烃的气相反应，能够生成碳化物的薄膜。
其次，这样得到的具有防反应层的多孔质的SiC预成型品中，金属基复合材料的制备的通过利用现有常规的加压溶浸法，在高温下将Cu的熔融液加压溶浸，得到目标复合材料。
另外，作为防反应层，用碳膜，例如将添加了0.3原子％以下Cr的Cu溶浸，由于碳和Cr的反应而改善了浸润性，可以得到良好的接合。此时，也取决于膜的厚度，但在界面上，能够得到由C和铬的碳化物构成的防反应层。
下面，通过实施例对本发明第1种高热导性复合材料及其制备方法进行更详细的说明，但本发明并不限于这些实施例。
[实施例1]
将平均粒径40微米的SiC粉末和平均粒径2微米的SiC粉末以7∶3的比率的混合物用球磨机充分混合。将该粉末用模具成形，在1个气压的氩气中，在2200℃烧结1小时，得到具有70％左右相对密度的SiC预成型品。
然后，将该预成型品放置在电炉中，在5KPa的减压甲烷气流中，在1400℃保持1小时，进行作为防反应层的碳的涂布。涂层为1微米左右厚，直至预成型品的内部均匀地涂布。
将这样涂布了碳的SiC预成型品放置在石墨模具内，在4MPa的单轴加压下，在1200℃下将熔解的Cu加压溶浸，得到复合材料。
所得的复合材料，是由含有70体积％左右的连续的SiC骨架，其余部分为作为基质的30体积％的Cu制成的，两者的界面上保持着具有同样厚度的碳薄膜结构。从两相的元素分析结果，可知SiC和Cu之间的反应由于碳薄膜涂层的效果而被防止。因此，通过激光-闪光法进行热导率的测定结果，可知具有200W/mK以上的高热导率。另外，从室温到500℃的热膨胀的测定结果，可知具有6×10-6/K左右的低热膨胀系数。
[比较例1]
用与实施例1同样的方法，但在界面上不涂布碳制成SiC预成型品，在同样的条件下将Cu加压溶浸，得到复合材料。
所得的复合材料，SiC和Cu显著地发生反应，测定的热导率为100W/mK以下。
[实施例2]
将30重量份平均粒径为40微米的SiC粉末，49重量份平均粒径10微米的Si粉末，11重量份平均粒径为6微米的碳粉末的混合物用球磨机充分混合。将该粉末用模具成形，在1个气压的氩气中，在1600℃烧结1小时，得到具有50％左右相对密度的SiC预成型品。
然后，将酚树脂溶解在乙醇中，调制成10％的溶液。在该溶液中，浸渍SiC预成型品后，取出充分干燥，在电炉中氩气下，通过在1小时内从室温加热至1000℃的升温，将树脂碳化。得到的SiC预成型品涂布了3微米左右的碳。
将该涂布了碳的SiC预成型品放置在石墨模具中，在与实施例1相同的条件下将Cu加压溶浸，得到复合材料。但是，此时，用溶解了0.3原子％Cr的Cu作为溶浸材料。
所得的复合材料，是由连接的SiC骨架结构和其余部分为Cu制成的，两者的界面具有由碳和若干Cr3C2构成的结构。
关于本发明的第2种SiC-Cu类高热导性复合材料，可以通过所谓在SiC粉末体上涂布防反应层，再与Cu粉末体混合后，加压烧结的过程制备。
上述的SiC粉末体可以使用市售的SiC原料粉末。但是，为了得到高热导率，应该尽量使用高纯度的结晶性良好的SiC粉末。
其次，在SiC粉末体的全表面涂布防反应层。作为防反应层，优选为碳或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物。
在使用碳作为防反应层的情况下，可以通过甲烷等的热分解方法容易地进行。即，将SiC粉末体置于甲烷气流中，在1400℃左右加热1小时左右能够均匀地涂布1微米左右的薄碳。此时，优选以SiC粉末体为流动层。
碳薄膜涂层，可以通过酚树脂等的热分解得到。例如，将酚树脂溶解在乙醇中，在其中混合SiC粉末体，喷雾干燥。将所得粉末体置于惰性气氛中，在500℃碳化，得到致密地涂布了薄膜的SiC粉末体。
至于薄膜的厚度最好控制在10微米以下。这是由于涂层通常热导率低，因此最好是为防止反应所必须的最低限的厚度。至于下限，理论上有0.01微米左右就足够了，但从制作的容易程度和膜厚的均一性问题考虑，认为实际上必须的膜厚为0.1～3微米左右。另一方面，上述碳化物的涂层，可以用常规的CVD(气相反应)法得到。例如，通过Cr等金属氯化物的蒸气和烃的气相反应，能够生成碳化物的薄膜。
对于Cr的碳化物，作为其它的涂层方法，也可以是将上述的施加了碳薄膜涂层的SiC粉末体，放置于高温的Cr蒸气中，使之生成铬碳化物的方法。由于Cr的蒸气压从1300℃至1500℃左右非常高，因此可以在短时间内形成碳化物。
然后，将这样得到的涂布了防反应层的SiC粉末体和Cu粉末按照SiC粉末体的体积比为20-75％，其余部分为Cu粉末的比率混合。这样的混合比率，在为得到低热膨胀系数和高热导率中是有效的，SiC粉末体的体积比在20％以下时，热膨胀系数不能在10×10-6/K以下，另外其体积比超过75％时就难以得到高热导率。
混合，可以利用现有的常规使用的各种干式，湿式混合法。
将这样得到的混合粉末填充至石墨模具中后，在真空，或惰性气氛下加压烧结成为烧结体。
烧结温度可以为400～1000℃。高温下所必须加压的压力在数MPa以上，但是在低温下必须要高。
另外，作为防反应层使用碳薄膜，例如，通过利用添加固溶了0.3原子％以下Cr的Cu粉末，烧结时，通过碳和Cr的扩散反应形成碳化物，改善了界面强度，能够得到良好的接合。此时，虽然也依赖于薄膜厚度，但在界面上，能够得到由C和铬碳化物构成的防反应层。
下面，通过实施例对本发明的第2种高热导性复合材料及其制备方法进行更详细的说明，但本发明并不限于这些实施例。
[实施例3]
将平均粒径为40微米的SiC粉末体放置在电炉中，在5Kpa的减压甲烷气流中，在1400℃保持1小时，进行作为防反应层的碳的涂布。涂层为1微米左右厚，粉末是均匀涂布的。
将这样涂布了碳的SiC粉末和平均粒径为30微米的Cu粉末按60∶40的体比，用球磨机干式混合，得到混合粉末。将所得混合粉末填充至石墨模具内，在4MPa的单轴压力下，在800℃加压烧结，得到作为烧结体的高热导性复合材料。
所得的复合材料，由含有60体积％左右的SiC，其它部分为作为基质的40体积％左右的Cu制成，两者的界面保持着具有均匀厚度的碳薄膜结构。从两相的元素分析结果可知，SiC和Cu之间的反应由于碳薄膜涂层的效果而被防止。因此，通过激光-闪式法进行热导率的测定结果可知，具有200W/mK以上的高热导率。另外，测定从室温至500℃的热膨胀系数的结果可知，具有6×10-6/K左右的低热膨胀系数。
[比较例3]
使用没有涂布碳的SiC粉末，按与实施例3同样的方法，得到复合材料。
所得的复合材料，SiC和Cu显著地发生反应，测定的热导率为100W/mK以下的低热导率。
[实施例4]
将20g酚树脂溶解在100毫升乙醇中，在其中添加100g平均粒径为40微米的SiC粉末配制成浆料。将所得浆料喷雾干燥，得到通过树脂涂布的SiC粉末。然后，将该粉末填充至石墨坩埚中，在氩气中，1小时内升温至1000℃，将酚树脂碳化，所得SiC粉末，是1微米左右厚的碳较均匀涂布的。
其次，将填充了1gCr粉末的铝坩埚，和填充了涂布了碳的SiC粉末的石墨模具并排放置在炉内，在1500℃加热30分钟。结果，碳涂层的SiC粉末表面层变为碳化铬。
将14g这样得到的粉末，和26g平均粒径为30微米的Cu粉末，用球磨机充分混合。将2g这样的混合粉末填充到石墨模具中，在1个气压的氩气中，在5MPa的单轴加压下，在800℃烧结20分钟，得到作为烧结体的高热导性复合材料。
所得复合材料，具有由SiC相和其余为Cu形成的，两者的界面由碳和Cr3C2构成的结构。

Claims (13)

1.高热导性复合材料，其特征在于该材料含有占20～75％体积比的SiC和占其余体积比的Cu，和介于该SiC和Cu界面上的防止两者反应的防反应层。
2.权利要求1中记载的复合材料，其特征在于上述防反应层，是由碳，或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物形成的厚度为0.01～10微米的薄膜。
3.权利要求1中记载的复合材料，其特征在于该复合材料的热膨胀系数为4.5～10×10-6/K，热导率为200W/mK以上。
4.权利要求1中记载的复合材料，其特征在于是形成具有上述SiC骨架结构的多孔质预成型品后，将上述防反应层涂布在该预成型品表面，再将上述Cu溶浸在预成型品中而形成的。
5.权利要求1中记载的复合材料，其特征在于该复合材料是由将涂布了上述防反应层的SiC粉末体和Cu粉末的混合粉末加压烧结后得到的烧结体构成的。
6.高热导性复合材料，其特征在于该材料含有占20～75％体积比的SiC和占其余体积比的Cu，和介于该SiC和Cu界面上的防止两者反应的防反应层，上述防反应层是由碳，或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物制成的厚度为0.01～10微米的薄膜形成的，而且，热膨胀系数为4.5～10×10-6/K，热导率为200W/mK以上。
7.权利要求6中记载的复合材料，其特征在于形成上述SiC骨架结构的多孔质预成型品后，将上述防反应层涂布在该预成型品表面，再将上述Cu溶浸在该预成型品中。
8.权利要求6中记载的复合材料，其特征在于该复合材料是由涂布了上述防反应层的SiC粉末体和Cu粉末的混合粉末加压烧结得到的烧结体构成的。
9.高热导性复合材料的制备方法，其特征在于在形成骨架结构的多孔质预成型品的内外表面上，涂布与SiC和Cu不反应，且相对于两相没有实质固溶的元素或化合物形成的防反应层后，将Cu加压溶浸到该预成型品上。
10.权利要求9中记载的制备方法，其特征在于上述防反应层是由碳，或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物形成的薄膜，该薄膜涂布成0.01～10微米的厚度。
11.高热导性复合材料的制备方法，其特征在于在SiC粉末体的表面上，涂布与SiC和Cu不反应，且相对于两相没有实质固溶的元素或化合物形成的防反应层后，将该SiC和Cu粉末混合成混合粉末，将该粉末在400℃～1000℃的温度下加压烧结。
12.权利要求11中记载的制备方法，其特征在于上述混合粉末是通过按体积比为20～75％的涂布了防反应层的SiC粉末体，和其余部分为Cu的体积比混合形成的。
13.权利要求11中记载的制备方法，其特征在于上述防反应层是由碳，或选自Cr，Nb，Ta，W中至少一种元素的碳化物形成的薄膜，该薄膜涂布成0.01～10微米的厚度。
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