高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合封裝材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金剛石/銅復(fù)合封裝材料及其制備方法，主要用于超大規(guī)模集成電路及超大功率發(fā)光二極管的散熱基板，屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子工業(yè)的發(fā)展和高密度封裝技術(shù)的進步，使得電路的工作溫度不斷上升，導(dǎo)致傳統(tǒng)的散熱基板已經(jīng)不能滿足其性能要求。因此研究高導(dǎo)熱、低膨脹系數(shù)散熱基板新材料具有很大的理論意義和實際應(yīng)用價值。由于單一的散熱基板材料不能同時滿足超大規(guī)模集成電路及大功率LED對導(dǎo)熱性能和膨脹系數(shù)的要求，因此，復(fù)合散熱基板材料的研發(fā)已經(jīng)成為必然趨勢。
[0003]目前，國內(nèi)外已有不少科研機構(gòu)開發(fā)和研究了高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)及低密度的復(fù)合散熱基板材料，金剛石/銅復(fù)合材料具有較優(yōu)異的理論熱物理性能，被認為是高性能電子封裝及散熱基板材料的不二之選。由于銅不是碳化物形成元素，且和金剛石完全沒有親和力，因此銅是完全不潤濕金剛石的?？朔饎偸豌~的界面潤濕性問題已經(jīng)成為獲得高性能金剛石/銅復(fù)合材料的必要條件。
[0004]近年來，主要采用高溫高壓法、熔滲法和預(yù)先真空鍍覆然后放電等離子體燒結(jié)的方法制備金剛石/銅復(fù)合材料。Ekimov等[Ekimov E.A.,Suetin N.V.,Popovich A.F.，etal.Thermal Conductivity of Diamond Composites Sintered Under High Pressures[J].Diamond and Related Materials，2008，17(4-5):838-843]米用高溫超高壓工藝，燒結(jié)溫度為2100K，壓強為8GPa，制備得到Cu-diamond復(fù)合材料具有超高的熱導(dǎo)率值達900W/m.K，主要是由于高的金剛石體積分數(shù)(80% )的貢獻作用；Abyzov等[A.M.Abyzov，S.V.Kidalov?F.M.Shakhov.High thermal conductivity composites consisting ofdiamond filler with tungsten coating and copper(siIver)matrix[J].J Mater Sci，2011,46:1424-1438]采用壓力滲透技術(shù)制備得到金屬鎢包覆的金剛石顆粒增強銅基體復(fù)合材料，制備樣品熱導(dǎo)率到達900W/m.K。但是這兩種方法制備金剛石/銅復(fù)合材料，設(shè)備過于昂貴、工藝復(fù)雜、不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，很大程度上限制了金剛石/銅復(fù)合材料基板在電子工程中的應(yīng)用。與前兩種粉末冶金工藝相比放電等離子燒結(jié)具有燒結(jié)升溫速度快、燒結(jié)時間短、燒結(jié)效率高、燒結(jié)工藝簡單，可獲得高致密度的產(chǎn)品。但是目前采用放電等離子燒結(jié)金剛石/銅的方法主要是在金剛石表面鍍附上一層強碳化元素的金屬層，使得原本簡單的燒結(jié)工藝變得復(fù)雜，并且鍍附的金屬層很難控制其厚度的均勻性，在一定程度上會影響材料的導(dǎo)熱性能。因此，直接采用合金化的方法制備出高熱導(dǎo)率和低膨脹系數(shù)的金剛石/銅復(fù)合材料成為研究的熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對金剛石與銅之間潤濕性差、結(jié)合強度不夠高等問題，提供一種具有高導(dǎo)熱性能的高體積分數(shù)金剛石增強銅基復(fù)合材料以及制備方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:
[0007]一種高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合封裝材料，該材料由金剛石、Cu和Ti組成，在金剛石周圍均勻包裹Cu-Ti合金;其中，Cu含量為40?60wt%，Ti含量為2?10wt%，余量為金剛石。
[0008]如上所述的高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合封裝材料，優(yōu)選地，所述材料由Cu-(l-10wt.% )T i合金粉、鈦粉和金剛石通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)而成。
[0009]如上所述的高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合封裝材料，優(yōu)選地，所述材料由Cu-(2_5wt.% )T i合金粉、鈦粉和金剛石通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)而成。
[0010]又一方面，本發(fā)明提供如上所述的高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合封裝材料的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0011]1.采用真空氣霧化制粉爐制備Cu-(l-10wt.%)Ti合金粉，篩選出粒徑為15?25μπι和40?50μηι的合金粉，并按照(3.5?4.5):1的體積比混合；
[0012]I1.采用機械混粉的方式將步驟I獲得的Cu-Ti合金粉與金剛石、鈦粉混合，其中金剛石體積百分數(shù)為50%-70%，Cu-(l-10wt.%)Ti合金粉體積百分數(shù)為25%-49%，鈦粉體積百分數(shù)為I %-5% ；
[0013]II1.將步驟II獲得的混合料放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)為:壓力30-50MPa、溫度850-950°C、升溫速度100-150°C/min、燒結(jié)時間l-60min，氣氛為真空，然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石/銅復(fù)合材料。
[00? 4]如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟I中制備Cu-Ti合金粉的具體操作如下:原料為純度大于99.99%的無氧銅和純度大于99.99%的鈦，將配好比例的純銅、純鈦放入真空氣霧化法中的石墨坩禍內(nèi)，抽真空，升溫熔化，在1200?1300°C保溫10?20min，充分攪拌，澆鑄噴粉獲得Cu-Ti合金粉。
[0015]如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟11中金剛石粒度為50-200μπι，鈦粉粒度為10-50ym ；機械混粉時間為60-120min。
[0016]如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟III中所述的燒結(jié)時間為l_30min。
[0017]如上所述的制備方法，優(yōu)選地，所述方法包括如下步驟:
[0018]1.采用真空氣霧化制粉爐制備Cu-(lwt.%)Ti合金粉，分別篩選出粒度為20μπι和45μ??，以4:1的體積比混合；
[0019]I1.金剛石粒度選用10ym，鈦粉粒度選用20μηι；將體積百分比分別為60%、I %、39%的金剛石顆粒、鈦粉、Cu-(lwt.% )Ti合金粉混合球磨120min;
[0020]II1.將步驟II獲得的混合粉放入放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950°C，燒結(jié)壓力50MPa，升溫速度為100°C/min，保溫5min，氣氛為真空，然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石/銅復(fù)合材料。
[0021]又一方面，本發(fā)明提供一種高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合封裝材料，其是采用如上所述的方法制備的。
[0022]再一方面，本發(fā)明提供如上所述的高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合封裝材料在超大規(guī)模集成電路或超大功率發(fā)光二極管的散熱基板中的應(yīng)用。
[0023]本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，通過直接基體銅的合金化(在基體銅中加入微量能與金剛石發(fā)生反應(yīng)生成碳化物活性元素)，制備得到高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)的金剛石/銅復(fù)合材料。其有益效果體現(xiàn)在以下幾個方面:
[0024]1、本發(fā)明制備的金剛石/銅復(fù)合材料熱導(dǎo)率最高可達到522W/m.K，線膨脹系數(shù)在(5.5-11.8) X 10—6K，致密度大于99%，滿足超大規(guī)模集成電路及超大功率發(fā)光二極管散熱基板的使用要求。
[0025]2、本發(fā)明首次采用Cu-Ti合金作為基體材料與金剛石在一定溫度下進行燒結(jié)，改善金剛石與銅之間的界面情況。在燒結(jié)過程中，合理控制燒結(jié)溫度，使溫度略高于Cu-Ti合金固相線溫度，實現(xiàn)液相燒結(jié)，排除氣孔的同時促進銅基體晶粒發(fā)育長大，使材料致密化。
[0026]3、在復(fù)合材料中加入少量鈦形成銅鈦合金，提高了材料的致密度，改善了金剛石與銅的結(jié)合狀態(tài)，使金剛石與銅可以潤濕，從而提高了材料的導(dǎo)熱性能和致密度。
[0027]4、在放電等離子燒結(jié)步驟中采用分別加入Cu-Ti合金粉和鈦粉的方法。鈦粉的加入，一方面可填充Cu-Ti合金間以及Cu與金剛石間的縫隙；另一方面，單質(zhì)鈦具有活性，可與氧反應(yīng)，有效去除金剛石和銅表面的氧化物雜質(zhì)，使材料內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷度降低，改善熱導(dǎo)率。
[0028]5、采用不同尺寸的Cu-Ti合金粉進行燒結(jié)，有利于填補材料的空隙，從而提高材料的致密度。
[0029]6、本發(fā)明省去了在金剛石表面鍍附一層金屬的復(fù)雜過程，制備工藝簡單，利于批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明實施例1得到的金剛石/銅復(fù)合材料的斷面的掃描電鏡照片。
[0031]圖2為本發(fā)明實施例2得到的金剛石/銅復(fù)合材料的斷面的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0032]以下將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述，但不用于限定本發(fā)明。
[0033]實施例1
[0034]原料為純度大于99.99 %的無氧銅和純度大于99.99 %的鈦，質(zhì)量比為99: I。將配好比例的純銅、純鈦放入真空氣霧化法中的石墨坩禍內(nèi)，抽真空，升溫熔化，在1200°C保溫lOmin，充分攪拌，澆鑄噴粉獲得Cu-(IwtI)Ti合金粉。分別篩選出粒度為20μπι和45μπι，以4:1的體積比混合，金剛石粒度選用10ym，鈦粉粒度選用20μηι。將體積百分比分別為60 %、I %、39%的金剛石、鈦粉、Cu-(lwt.% )Ti合金粉混合球磨120min。最后將混合粉放入放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)制得金剛石/銅復(fù)合材料。其中燒結(jié)溫度為950°C，燒結(jié)壓力50MPa，升溫速度為10