一種高熱導(dǎo)率金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子封裝復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種高導(dǎo)熱率金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料的制備方法，尤其涉及采用粉末覆蓋燃燒法對金剛石表面鍍Mo和采用氣體壓滲方法制備高導(dǎo)熱率金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代化工業(yè)水平、國防技術(shù)高度發(fā)展，人類已進(jìn)入微型計算機、移動通信等電子技術(shù)飛速發(fā)展的信息時代，世界各國對信息技術(shù)和產(chǎn)品的要求提高，使半導(dǎo)體集成電路(IC)向高密度、高性能的方向發(fā)展。半導(dǎo)體器件的集成度增加，器件單位功率提高，發(fā)熱量增大，使得封裝形式由表面貼裝器件向立體微電子封裝技術(shù)方向發(fā)展。工作環(huán)境的惡化也對電子封裝材料提出了更高的要求，電子封裝材料日益向小型化、輕便化、低成本、高性能和高可靠性的方向發(fā)展。芯片集成度的提高，導(dǎo)致電路工作溫度上升，材料由于熱疲勞和熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的熱應(yīng)力增大，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的失效概率增大。解決上述問題一是要進(jìn)行合理的熱封裝和散熱設(shè)計，二是急需開發(fā)一種具有高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)以及良好綜合性能的新型電子封裝材料。
[0003]現(xiàn)代電子封裝材料不僅要有高的熱導(dǎo)率，還必須具有與半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)。傳統(tǒng)的電子封裝材料如塑料、陶瓷和金屬，在上述熱學(xué)性能方面都或多或少存在不足。例如，銅因其具有高的熱導(dǎo)率和良好加工性能較早便用于電子封裝材料，但是其熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片不匹配，限制了其實際應(yīng)用。
[0004]金剛石不僅具有較高的熱導(dǎo)率，可達(dá)600?2000W/(m.Κ)，而且具有較低的熱膨脹系數(shù)(0.8Χ10_6/Κ)。利用金剛石低的熱膨脹系數(shù)來調(diào)節(jié)金屬材料過高的熱膨脹系數(shù)，發(fā)揮金剛石良好熱導(dǎo)率的優(yōu)勢，可發(fā)展一系列兼具高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低密度的新型電子封裝復(fù)合材料。然而，非金屬的金剛石與金屬之間的潤濕性差，界面熱阻高，導(dǎo)致復(fù)合材料的實際熱導(dǎo)率較低。原因在于金剛石晶體中，碳原子間通過sp3雜化軌道形成高能的共價單鍵，構(gòu)成了穩(wěn)定的正四面體結(jié)構(gòu)。同時，所有的價電子都參與了成鍵，使得金剛石具有穩(wěn)定的晶體表面。當(dāng)它們與金屬基體復(fù)合制備成電子封裝材料時，由于金剛石強的化學(xué)惰性，難以形成結(jié)合良好的兩相界面。因此，在金剛石強化金屬基復(fù)合材料的研宄中，改善兩相界面、以實現(xiàn)金剛石高導(dǎo)熱性能向金屬基體的傳遞，是獲得高性能金剛石強化金屬基電子封裝復(fù)合材料的關(guān)鍵。改善兩相界面結(jié)合的方法主要有三種，即金屬基體改性、金剛石表面金屬化和復(fù)合材料制備工藝控制。本發(fā)明側(cè)重金剛石表面的金屬化和復(fù)合材料制備工藝。通過對金剛石顆粒表面進(jìn)行鍍覆處理并采用氣體壓滲方法，達(dá)到改善金剛石和銅之間的界面結(jié)合，有效降低界面熱阻，制得具有高熱導(dǎo)率的金剛石/銅(Diamond/Cu)復(fù)合材料的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的2個技術(shù)問題，一是發(fā)明一種粉末覆蓋燃燒法對金剛石表面鍍Mo的方法。鍍覆層從內(nèi)向外，內(nèi)層是碳化物層，該層強固地附著在金剛石表面上；外層為合金層或金屬層，該層的形成，使金剛石表面具有金屬特性:即可導(dǎo)電性、可焊接性和可燒結(jié)性；二是利用合理設(shè)計的高壓氣體驅(qū)動基體Cu熔體有效填充金剛石預(yù)制體顆粒間的孔隙，通過保溫保壓處理，實現(xiàn)對復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的有效控制，以提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
[0006]由于電子主導(dǎo)銅的熱傳導(dǎo)，聲子主導(dǎo)金剛石的熱傳導(dǎo)。因此，對于金剛石/金屬基復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)，能量轉(zhuǎn)換必須發(fā)生在電子和聲子之間。為此，在金剛石和金屬之間鍍覆一層非常薄的碳化物相界面層必定有利于促進(jìn)電子-聲子之間的耦合。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0007]一種高導(dǎo)熱率金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料的制備方法，采用粉末覆蓋燃燒法對金剛石表面鍍Mo，將金剛石:Mo03= 1:2?I:4(wt% )置于瑪瑙研缽中混合均勻，將其裝于氧化鋁坩禍中，分別置于通有氫氣、氬氣氣氛的管式爐中加熱，溫度為900?1050°C，保溫時間2-4h，完成鍍鉬過程。鍍鉬后的剛石顆粒隨爐冷卻取出后，對金剛石顆粒進(jìn)行超聲波清洗并烘干。將處理后的金剛石裝入Al2O3陶瓷管內(nèi)振實，形成金剛石顆粒多孔體預(yù)制體。預(yù)制體的密度為50?65vol.%。將預(yù)制體放入石墨模具中，Cu裝入坩禍。然后將石墨模具和坩禍放入浸滲爐內(nèi)，密封和緊固浸滲爐爐體；將浸滲爐爐腔抽真空，當(dāng)浸滲爐爐腔達(dá)到預(yù)定真空度后開始加熱預(yù)制體、熔化Cu ;控制加熱過程使金剛石顆粒預(yù)制體和熔融Cu達(dá)到預(yù)定溫度后施加一定的成形壓力，保溫一定時間，使得液態(tài)Cu滲入金剛石顆粒預(yù)制體并充滿顆粒間的孔隙，最終獲得高導(dǎo)熱率的金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料。
[0008]Mo作為一種強碳化物形成元素具有較高的熱導(dǎo)率[138W/(m.K)]，顯著高于T1、Cr、B、V等其他強碳化物形成元素；Mo在Cu中的固溶度很小，不會顯著降低復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。本發(fā)明并非選擇直接在金剛石顆粒表面鍍Mo，而是選用Mo03。這是因為Mo與金剛石很難直接發(fā)生反應(yīng)，而1003可在一定條件下與金剛石表面碳原子反應(yīng)，與金剛石形成強有力的冶金結(jié)合。且鍍層元素與金剛石顆粒間的化學(xué)反應(yīng)是可控的，在不同的鍍覆條件下可獲得成分可控的鍍層。
[0009]所述高熱導(dǎo)率金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料制備方法的優(yōu)選方案為，選取通有保護(hù)氣體而非通有空氣的管式爐加熱，原因有兩點:一是在金剛石與MoO3反應(yīng)的過程中會形成少量的Mo。在高于600°C的溫度下Mo易與氧氣反應(yīng)生成1002并進(jìn)一步被氧化為MoO3，因此氧氣的存在使得反應(yīng)不利于向生成Mo的方向進(jìn)行；二是如果在空氣中加熱金剛石與此03的混合物，會發(fā)生以下幾個化學(xué)反應(yīng):2C+02— 2C0，MoO 3+3C —Mo+3C0，2Mo03+7C — Mo2C+6C0o由以上化學(xué)反應(yīng)式可見，CO的生成會阻礙金剛石與MoO3生成Mo 2C的反應(yīng)，不利于鍍層在金剛石表面的形成。因此，鍍覆過程須在通有保護(hù)氣氛的管式爐中進(jìn)行。
[0010]在氬氣中對金剛石鍍Mo，金剛石表面鍍覆產(chǎn)物以顆粒狀分布在金剛石顆粒表面，鍍層厚度不均，鍍層成分為單一穩(wěn)定的Mo2C(圖1);在氫氣中對金剛石鍍Mo，可獲得相對完整連續(xù)的鍍層。鍍覆溫度高于1050°C時，鍍層成分為Mo2C。當(dāng)?shù)陀谠摐囟?、高?50°C時鍍層成分從內(nèi)向外依次為Mo2C和Mo。這是因為在氬氣中鍍Mo時，氬氣未參與化學(xué)反應(yīng)，MoO3與金剛石反應(yīng)生成穩(wěn)定的Mo2C鍍層；在氫氣中鍍Mo時，氫氣參與反應(yīng)起還原作用。升溫過程中一部分MoO3的還原產(chǎn)物MoO2與金剛石反應(yīng)生成穩(wěn)定的Mo 2C，還有部分鉬的氧化中間產(chǎn)物被氫氣還原為Mo。鍍層產(chǎn)物為Mo2C和Mo (圖2)。但當(dāng)鍍覆溫度高至1050°C時，Mo與金剛石生成更穩(wěn)定的Mo2C相，鍍層成分為單一穩(wěn)定的Mo2C。
[0011]所述金剛石表面鍍覆的優(yōu)選方案為，所述金剛石品級為MBD-12，粒度為80?100目(150?180 μ m)。MoO3純度為99.99wt%，粒度300目。銅粉純度為99.99wt%，粒度為400 目。
[0012]所述金剛石表面鍍覆的優(yōu)選方案為，金剛石和]?003的比例為1:2?I:4(wt% )。
[0013]所述金剛石表面鍍覆的優(yōu)選方案為，管式爐加熱溫度為900?1050°C，保溫時間
2 ?4h0
[0014]所述金剛石表面鍍覆的優(yōu)選方案為，氫氣和氬氣的純度為99.99%，流量為180?220ml/mino
[0015]所述金剛石表面鍍覆的優(yōu)選方案為，烘干溫度為120°C。
[0016]所述鍍覆后的金剛石多孔預(yù)制件制備的優(yōu)選方案為，金剛石多孔預(yù)制件中金剛石顆粒的體積百分?jǐn)?shù)為50?65%。
[0017]所述壓力熔滲金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料制備的優(yōu)選方案為，浸滲爐爐腔的真空度為IkPa?0.lkPa，壓力熔滲法的成形溫度為1150?1250°C，成形壓力為0.5?3MPa，保壓時間為10?30min。
[0018]本發(fā)明制備的金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料熱導(dǎo)率高達(dá)837W/(m.K)。由于壓力熔滲在真空中進(jìn)行，壓力下凝固，復(fù)合材料中無氣孔、疏松、縮孔等缺陷，組織致密，因而金剛石/Cu電子封裝復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高。<