專利名稱:一種高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域,特別是提供了一種高性能金剛石強化Al基電 子封裝復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù):
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電子產(chǎn)品和器件趨向小型化、輕薄化和高性能化,這就 要求芯片的集成度不斷提高,功率不斷增大,隨之帶來的問題便是將器件產(chǎn)生的熱量及時、 高效地導(dǎo)出,以保證工作的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的電子封裝材料,如Kovar合金(熱導(dǎo)率17W/m !(, 熱膨脹系數(shù)1. 3卯m/K,密度8. 3g/cm3) 、W-Cu合金(熱導(dǎo)率209W/m *K,熱膨脹系數(shù)6. 5卯m/ K,密度17. 0g/cm3)禾P Al-SiC復(fù)合材料(熱導(dǎo)率150 220W/m K,熱膨脹系數(shù)6. 4 12. 4ppm/K,密度2. 9g/cm3),由于性能的局限性已很難滿足當前的要求,因此開發(fā)和制備高 性能的封裝材料是當前迫切需要解決的問題。 金剛石具有優(yōu)異的綜合性能,熱導(dǎo)率為1200 2000W/m K,熱膨脹系數(shù)0. 8ppm/ K,密度3. 52g/cm 進一步通過與高導(dǎo)熱金屬Al進行復(fù)合化設(shè)計,可以制備出具有低密度、 高導(dǎo)熱率、適當熱膨脹系數(shù)、高彈性模量、高強度和優(yōu)異耐磨性等優(yōu)點的電子封裝材料。同 時隨著人工合成金剛石技術(shù)的發(fā)展,單晶金剛石顆粒的價格大幅降低,使得金剛石強化復(fù) 合材料的廣泛應(yīng)用成為可能。因此,金剛石強化A1基電子復(fù)合材料已經(jīng)成為新一代高性能 電子封裝材料的研究重點。 當前,金剛石強化A1基復(fù)合材料的制備方法主要有傳統(tǒng)粉末冶金法、壓力/無 壓熔滲法、攪拌鑄造法等,文獻報道(A. Rodriguez, S. A. S6nchez, J. Narciso. Pressure infiltration of Al_Si alloys into compactsmade of carbon particles. Journal of Materials Science,2005,40 (9-10) :2519-2523 ;0.Beffort, F. A. Khalid, L. Webber et al. Interface formationin infiltration Al(Si)/diamond composites. Diamond and Related Materials, 2006, 15 (9) :1250-1260)和前期實驗表明,這些方法的材料制備周期 較長,同時存在著界面結(jié)構(gòu)難于控制,容易產(chǎn)生缺陷并影響組織均勻性,金剛石顆粒高溫石 墨化等問題,這些都將影響制備材料的性能。 放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering, SPS)是二十世紀九十年代發(fā)展成熟 的材料制備新技術(shù),它是利用脈沖電流在粉末顆粒間產(chǎn)生的瞬間放電和高溫等離子體實現(xiàn) 燒結(jié)的加壓燒結(jié)過程,具有快速、低溫、高效、組織結(jié)構(gòu)可控等顯著優(yōu)點,在高性能功能材料 制備方面得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用(Y. H. Wang, J. P. Lin, Y. H. He, et al. Fabrication and SPS microstructures of Ti_45 Al-8. 5Nb_(W, B, Y)alloyingpowders. Intermetallics, 2008,16(2) :215-224 ;J丄iu, X. P. Song, P. Pei, etal. Hydrogen storage properties of Mg_50vol. % V7. 4Zr7. 4Ti7. 4Nicomposites prepared by spark plasma sintering. International Journal ofHydrogen E證gy, 2009, 34 (10) :4365-4370 ;B. H丄i, Y丄iu, H. Cao, et al. Rapid fabrication ofin situ TiC particles reinforced Fe—basedcompositesby spark plasma sintering. Materials Letters,2009,63 (23) :2010-2012; 一種負熱膨脹Mri3(Cu。.5Ge。.5)N塊體材料的制備方法,CN 101543892A)。放電等離子燒結(jié) 的低溫燒結(jié)特點將解決高溫下金剛石顆粒的石墨化問題,另一方面,燒結(jié)過程中的顆粒表 面凈化、活化過程,提高了顆粒表面原子的能量,促進原子擴散,從而將顯著提高燒結(jié)質(zhì)量, 改善復(fù)合材料中基體和增強相間的界面結(jié)合。同時,放電等離子燒結(jié)技術(shù)可進一步優(yōu)化基 體的合金化作用,基體的合金化作用是通過添加適當?shù)暮辖鹪貋砀纳茝?fù)合材料中兩相界 面結(jié)合,提高復(fù)合材料性能的方法,但合金元素的添加在起到積極作用的同時也會降低金 屬基體的熱導(dǎo)率(L. Weber, R. Tavangar. On the influence of active element content onthe thermal conductivity and thermal expansion of Cu-X(X = Cr, B)diamond composites. Scripta Materialia, 2007, 57 Ql) :988-991 ;K. A. Weidenma皿,R. Tavangar, L Webber. Mechanical behavior of diamondreinforced metals. Materials Science and Engineering A, 2009, 523 (1-2) :226-234.),而放電等離子燒結(jié)的表面高溫活化特點,在降 低了合金元素對基體不利影響的同時,還將更加有利于添加的合金元素在界面位置發(fā)揮作 用,形成有效的過渡層,松弛制備和冷卻過程中兩相間熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)的熱應(yīng)力對 界面的不良影響,改善界面結(jié)合,使得外部應(yīng)力可以有效傳遞,并實現(xiàn)復(fù)合材料兩相中熱載 體的匹配,提高導(dǎo)熱效率,從而制備得到具有優(yōu)異綜合性能的復(fù)合材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料的制備方 法,以解決傳統(tǒng)制備方法中存在的材料組織均勻性、致密度以及金剛石石墨化難于控制,兩 相間界面結(jié)合差,難于發(fā)揮金剛石的優(yōu)異性能等問題,從而滿足當前對電子封裝材料更高 的要求。 —種高性能金剛石強化A1基電子封裝復(fù)合材料的制備方法,其特征是在純A1基 體中添加合金元素制成的單質(zhì)混合粉末或制成Al合金粉末,單質(zhì)混合粉末或Al合金粉末 與金剛石單晶顆粒按照體積分數(shù)比75 : 25 40 : 60混合均勻,裝入石墨模具中進行放 電等離子燒結(jié),燒結(jié)在惰性氣體的保護條件下或真空度為8 9Pa的真空條件下進行,以 50 100°C /min的升溫速度加熱至燒結(jié)溫度580 800。C,燒結(jié)壓力30 40MPa,保溫時 間5 20min,燒結(jié)完畢后隨爐冷卻,制備得到金剛石強化Al基復(fù)合材料。
其中金剛石單晶顆粒的粒徑為25 198 ii m,單質(zhì)混合粉末和Al合金粉末的粒徑 < 74u m。 基體中添加的合金元素依據(jù)基體合金元素的作用和本身性質(zhì)的不同可以分為三 大類,即類金屬元素B、 Si等,強碳化物形成元素Cr、 Nb、 Ti、 V、 W等,高導(dǎo)熱金屬元素Ag、 Cu、 Mg、 Ni等,實際添加元素為其中的一種、兩種或三種。 基體合金元素的加入可以通過兩種方式,一是按照設(shè)計的合金成分,將合金元素 單質(zhì)粉末和純A1粉混合均勻,得到混合粉末,二是通過電弧熔煉的方法制備得到設(shè)計合金 成分的Al合金,進而采用機械球磨的方法得到符合要求的合金粉末。
本發(fā)明的積極效果表現(xiàn)在 1.通過本方法制備的純Al-金剛石復(fù)合材料,致密度得到顯著提升,可以達到 96%以上,材料的熱導(dǎo)率由傳統(tǒng)方法制備得到的200W/m K提高到287W/m K,同時熱膨脹系數(shù)7. 36卯m/K,抗壓強度達到157MPa ;本發(fā)明在此基礎(chǔ)之上,可以更加有效的發(fā)揮合金化 的優(yōu)異作用,進一步提高材料性能,例如,(1)金剛石顆粒體積分數(shù)60X的Al-lwt. XSi-金 剛石復(fù)合材料,致密度98. 1 %以上,熱導(dǎo)率達到430W/m K,熱膨脹系數(shù)6. 40卯m/K,抗壓強 度331MPa,密度為3. 13g/cm3, (2)金剛石顆粒體積分數(shù)為55%的Al_2wt. % Cu-金剛石復(fù) 合材料,致密度達到99. 3X,熱導(dǎo)率為398W/m'K,熱膨脹系數(shù)6. 11卯m/K,抗壓強度374MPa, 密度3. 15g/cm3 ; 3.可以方便的實現(xiàn)金剛石顆粒體積分數(shù)的控制,實現(xiàn)了制備金剛石強化A1基電 子封裝復(fù)合材料性能的可設(shè)計性,如金剛石顆粒體積分數(shù)為25 60%的Al-lwt. % Si-金 剛石復(fù)合材料,熱導(dǎo)率為295 430W/m K,熱膨脹系數(shù)10. 31 6. 40卯m/K,密度2. 86 3. 13g/cm3 ; 4.制備工藝簡單、高效、可重復(fù)性強,可以有效縮短材料制備時間和降低制備溫 度; 5.有效解決了金剛石顆粒在材料制備工程中的石墨化問題,提高材料制備質(zhì)量;
6.可以實現(xiàn)形狀復(fù)雜工件的近凈成型制備,尤其在制備小型工件上優(yōu)勢更加突 出。
圖l為放電等離子燒結(jié)(SPS)設(shè)備簡圖,其中,壓力加載及測壓電源1、壓頭及加熱 電極2、石墨盤3、石英窗4、測溫儀5、石墨模具6、燒結(jié)樣品7、沖頭8、真空燒結(jié)室9、脈沖電 源10。 圖2放電等離子燒結(jié)(SPS)和壓力熔滲(PI)制備Al-金剛石復(fù)合材料萃取金剛 石顆粒的Raman光譜。 圖3Al-2wt. % Cu-金剛石復(fù)合材料組織形貌的SEM圖。
圖4Al-lwt. % Si-金剛石復(fù)合材料斷口形貌的SEM圖。
具體實施方案
實施例1 : 單晶金剛石顆粒粒徑198iim,純Al粉粒徑< 74 y m,金剛石和純Al粉體積比 60 : 40。 按照設(shè)計原料配比將單晶金剛石顆粒與純Al粉在行星式球磨機中干混30min,轉(zhuǎn) 速為350r/min,混合均勻后進行放電等離子燒結(jié)(SPS),燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度選取640°C, 以80°C /min的升溫速度進行升溫,溫度達到400°C時施加40MPa的燒結(jié)壓力,達到640°C的 燒結(jié)溫度后保溫保壓10min,燒結(jié)完成,隨爐冷卻至15(TC后脫模取出,材料制備完成。制備 得到的Al-金剛石復(fù)合材料致密度> 91%,同時熱導(dǎo)率達到227W/m K,密度2. 91g/cm3。
實施例2 : 單晶金剛石顆粒粒徑25 ii m,純Al粉< 74 y m,金剛石與純Al粉體積比60 : 40。
按照設(shè)計原料配比將單晶金剛石顆粒與純Al粉在行星式球磨機中干混30min,轉(zhuǎn) 速為350r/min,混合均勻后進行放電等離子燒結(jié)(SPS),燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度選取640°C, 以50°C /min的升溫速度進行升溫,溫度達到40(TC時施加40MPa的燒結(jié)壓力,達到640°C的燒結(jié)溫度后保溫保壓10min,燒結(jié)完成,隨爐冷卻至15(TC后脫模取出,材料制備完成。 制備得到的Al-金剛石復(fù)合材料致密度> 96%,同時熱導(dǎo)率達到287W/m K,熱膨脹系數(shù) 7. 36卯m/K,密度3. 07g/cm3,抗壓強度157MPa。
實施例3 : 單晶金剛石顆粒粒徑25 ii m,粒徑< 74 ii m的Al、Si單質(zhì)粉按Si含量為lwt. %混 合為單質(zhì)元素混合粉末,金剛石與混合粉末體積比25 : 75。 按照設(shè)計原料配比將單晶金剛石顆粒與Al、 Si單質(zhì)元素混合粉末在行星式球磨 機中干混60min,轉(zhuǎn)速為350r/min,混合均勻后進行放電等離子燒結(jié)(SPS),燒結(jié)工藝為燒 結(jié)溫度600°C,以50°C /min的升溫速度進行升溫,溫度達到40(TC時施加40MPa的燒結(jié)壓 力,達到60(TC的燒結(jié)溫度后保溫保壓10min,燒結(jié)完成,隨爐冷卻至15(TC后脫模取出,材 料制備完成。制備得到的Al-lwt. % Si-金剛石復(fù)合材料致密度達到98. 5%,同時熱導(dǎo)率 295W/m K,熱膨脹系數(shù)10. 31卯m/K,密度3. 86g/cm3。與實施例1和2比較,可以顯著提升
制備復(fù)合材料的性能。
實施例4 : 單晶金剛石顆粒粒徑25iim,粒徑〈74iim的Al、Si單質(zhì)粉按Si含量為lwt. %混 合為單質(zhì)元素混合粉末,金剛石與混合粉末體積比60 : 40。 按照設(shè)計原料配比將單晶金剛石顆粒與Al、 Si單質(zhì)元素混合粉末在行星式球磨 機中干混60min,轉(zhuǎn)速為350r/min,混合均勻后進行放電等離子燒結(jié)(SPS),燒結(jié)工藝為燒 結(jié)溫度600°C,以50°C /min的升溫速度進行升溫,溫度達到40(TC時施加40MPa的燒結(jié)壓 力,達到60(TC的燒結(jié)溫度后保溫保壓10min,燒結(jié)完成,隨爐冷卻至15(TC后脫模取出,材 料制備完成。制備得到的Al-lwt. % Si-金剛石復(fù)合材料致密度達到98. 1%,同時熱導(dǎo)率 430W/m K,熱膨脹系數(shù)6. 40卯m/K,密度3. 13g/cm3,抗壓強度331MPa。與實施例1和2比 較,可以顯著提升制備復(fù)合材料的性能。
實施例5 : 單晶金剛石顆粒粒徑25 ii m, Al-4wt. % Si合金粉末粒徑< 74 y m,金剛石與合金 粉末體積比55 : 45。 采用真空電弧熔煉制備Al-4wt. % Si合金,將制備合金進行機械破碎和球磨,過 篩達到粒徑小于74 ii m的合金粉末。按照設(shè)計原料配比將單晶金剛石顆粒與合金粉末在行 星式球磨機中干混60min,轉(zhuǎn)速為350r/min,混合均勻后進行放電等離子燒結(jié)(SPS),燒結(jié) 工藝為燒結(jié)溫度580°C,以50°C /min的升溫速度進行升溫,溫度達到40(TC時施加40MPa 的燒結(jié)壓力,達到58(TC的燒結(jié)溫度后保溫保壓10min,燒結(jié)完成,隨爐冷卻至15(TC后脫模 取出,材料制備完成。制備得到的Al-4wt. % Si-金剛石復(fù)合材料致密度達到99. 1%,同時 熱導(dǎo)率398W/m K,熱膨脹系數(shù)6. 45卯m/K,密度3. 12g/cm3。與實施例1和2比較,可以顯
著提升制備復(fù)合材料的性能。
實施例6 : 單晶金剛石顆粒粒徑25 ii m,粒徑< 74 ii m的Al、Cu單質(zhì)粉按Cu含量為2wt. %混 合為單質(zhì)元素混合粉末,金剛石與混合粉末體積比55 : 45。 按照設(shè)計原料配比將單晶金剛石顆粒與Al、 Cu單質(zhì)元素混合粉末在行星式球磨 機中干混60min,轉(zhuǎn)速為350r/min,混合均勻后進行放電等離子燒結(jié)(SPS),燒結(jié)工藝為
6燒結(jié)溫度580°C,以50°C /min的升溫速度進行升溫,溫度達到40(TC時施加40MPa的燒結(jié) 壓力,達到580°C的燒結(jié)溫度后保溫保壓lOmin,燒結(jié)完成,隨爐冷卻至15(TC后脫模取出, 材料制備完成。制備得到的Al-2wt. %0!-金剛石復(fù)合材料致密度達到99.3%,熱導(dǎo)率為 398W/m K,熱膨脹系數(shù)6. 11卯m/K,密度3. 15g/cm 抗壓強度374MPa。與實施例1和2比 較,可以顯著提升制備復(fù)合材料的性能。
實施例7 : 單晶金剛石顆粒粒徑25 ii m,粒徑< 74 y m的Al、Ti單質(zhì)粉按Ti含量為0. 5wt. % 混合為單質(zhì)元素混合粉末,金剛石與混合粉末體積比55 : 45。 按照設(shè)計原料配比將單晶金剛石顆粒與Al、 Ti單質(zhì)元素混合粉末在行星式球磨 機中干混60min,轉(zhuǎn)速為350r/min,混合均勻后進行放電等離子燒結(jié)(SPS),燒結(jié)工藝為第 一段燒結(jié)溫度為640°C ,以50°C /min的升溫速度進行升溫,溫度達到400°C時施加lOMPa的 燒結(jié)壓力,達到64(TC后保溫20min,繼續(xù)以80°C /min的升溫速度加熱至70(TC,燒結(jié)壓力 提高到40MPa,保溫保壓5min,燒結(jié)完成,隨爐冷卻至15(TC后脫模取出,材料制備完成。制 備得到的Al-O. 5wt. % Ti-金剛石復(fù)合材料熱導(dǎo)率為358W/m K,熱膨脹系數(shù)7. 21卯m/K。 與實施例1和2比較,可以顯著提升制備復(fù)合材料的性能。
權(quán)利要求
一種高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料的制備方法,其特征是在純Al基體中添加合金元素制成的單質(zhì)混合粉末或制成Al合金粉末,單質(zhì)混合粉末或Al合金粉末與金剛石單晶顆粒按照體積分數(shù)比75∶25~40∶60混合均勻,裝入石墨模具中進行放電等離子燒結(jié),燒結(jié)在惰性氣體的保護條件或真空度為8~9Pa的真空條件下進行,以50~100℃/min的升溫速度加入至燒結(jié)溫度580~800℃,燒結(jié)壓力30~40MPa,保溫時間5~20min,燒結(jié)完畢后隨爐冷卻,制備得到高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料。
2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料的制備方法,其特 征是A1基體中添加的合金元素分為三大類,即類金屬元素B、 Si,強碳化物形成元素Cr、 Nb、 Ti、 V、 W,高熱導(dǎo)率金屬元素Ag、 Cu、Mg、 Ni,實際添加元素為其中的一種、兩種或三種。
3. 依據(jù)權(quán)利要求1或2所述高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料的制備方法, 其特征是合金元素的加入通過兩種方式,一是按照設(shè)計合金成分,將合金元素單質(zhì)粉末和 Al單質(zhì)粉末混合均勻,得到混合粉末;二是通過電弧熔煉的方法制備得到設(shè)計合金成分的 Al合金,進而采用機械破碎和球磨的方法得到< 74iim的合金粉末。
4. 依據(jù)權(quán)利要求1所述高性能金剛石強化A1基電子封裝復(fù)合材料的制備方法,其 特征是金剛石為單晶金剛石顆粒,粒徑為25 198 ym, Al粉與合金元素粉末的粒徑為 < 74u m。
全文摘要
一種高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料的制備方法,屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。其特征是在純Al基體中添加合金元素制成的單質(zhì)混合粉末或制成Al合金粉末,單質(zhì)混合粉末或Al合金粉末與金剛石單晶顆粒按照體積分數(shù)比75∶25~40∶60混合均勻,裝入石墨模具中進行放電等離子燒結(jié),以50~100℃/min的升溫速度加入至燒結(jié)溫度580~800℃,燒結(jié)壓力30~40MPa,保溫保壓5~20min,燒結(jié)完成即得到高性能金剛石強化Al基電子封裝復(fù)合材料。合金元素包括B、Si、Cr、Ti、Nb、Ag、Cu等。本發(fā)明材料的熱導(dǎo)率達到430W/m·K,熱膨脹系數(shù)6.40ppm/K,抗壓強度331MPa,密度僅為3.13g/cm3,有效地解決了材料制備過程中單晶金剛石顆粒的石墨化問題,制備工藝簡單,生產(chǎn)效率高。
文檔編號H01L21/48GK101728279SQ20091023860
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者吳建華, 張洋, 楊濱, 王艷麗, 王西濤 申請人:北京科技大學