專利名稱：金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料及其制備方法
一種金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料及其制備方法，屬于微電子器件電封裝材料及其制造技術(shù)領(lǐng)域。
當今整個電子器件的基本發(fā)展趨勢是高密度、多功能、高速和高功率。集成度的增加使芯片上的能量急速增加，每個芯片上產(chǎn)生的能量達10W以上。因此如何及時散熱，使電路在正常溫度下工作成為一個重要問題。最簡單的方法是把芯片安裝在高熱導(dǎo)率的陶瓷基片材料上。但是，電子器件用陶瓷材料往往需要與熱沉金屬材料結(jié)合在一起，形成組合件。此時的金屬材料，除了應(yīng)保留高導(dǎo)熱率的同時，還要求熱膨脹系數(shù)與陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)相近，防止在熱應(yīng)力下組合件產(chǎn)生裂紋或疲勞破壞。冶金工業(yè)出版社1996年出版的《金屬基復(fù)合材料導(dǎo)論》一書中(T.W.克萊因等著，余永寧、房志剛譯，第440頁)提出一種新型金屬基復(fù)合材料SiC(顆粒)/Al封裝材料，通過選擇合理的增強物、金屬基體及控制各自的體積百分含量，從而可獲得高導(dǎo)熱、低膨脹的性能。但是這種材料存在著以下問題一是材料的高熱導(dǎo)、低膨脹的性能難于兼得，這是因為欲獲得低膨脹、高導(dǎo)熱的SiC(顆粒)/Al復(fù)合材料，最基本的思路是控制SiC的體積含量，但由于隨SiC含量的變化，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)呈同一方向變化(如隨SiC含量的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)均隨之降低)，這就存在一個矛盾，降低熱膨脹系數(shù)需要提高SiC的含量，而這勢必又降低它的導(dǎo)熱率，二者不可同時達到最佳值。二是Al基體的電鍍性不好。
本發(fā)明的目的在于提供一種電鍍性能好、并可同時兼顧導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)兩方面性能，從而更好地適用于微電子器件電封裝領(lǐng)域的金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料，并提供一種該材料的制備方法。
為達到上述目的，本發(fā)明所述的金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料，由金屬基體和分布在金屬基體中的增強物SiC顆粒構(gòu)成，其特征是，所述的金屬基體為Cu，所述增強物SiC顆粒的體積百分含量或顆粒尺寸呈多層梯度分布。采用以上技術(shù)方案后，本發(fā)明通過控制復(fù)合材料中增強物SiC顆粒的體積百分含量或顆粒尺寸，使之呈層狀梯度分布，一方面，可使材料沿梯度方向具有高的導(dǎo)熱率、以滿足對材料高導(dǎo)熱率的要求；另一方面，材料各部分熱膨脹系數(shù)也呈梯度變化，必然有一側(cè)(SiC含量高或顆粒尺寸大的一側(cè))的熱膨脹系數(shù)較低，使該側(cè)與電封裝的陶瓷基材相結(jié)合，從而可滿足對材料低熱膨脹系數(shù)的需求。這樣，便可同時兼顧導(dǎo)熱率及熱膨脹系數(shù)兩方面性能，最大限度地同時滿足對材料高導(dǎo)熱率及低熱膨脹系數(shù)兩方面的需求。另外，選擇Cu作金屬基體，可利用其良好的電鍍性及導(dǎo)熱性，提高復(fù)合材料與基材間的焊接性能及復(fù)合材料的散熱能力。
本發(fā)明所述金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料的制備方法，依次包括配粉、粉末還原、混合、烘干、壓坯、包套、抽真空封焊、熱等靜壓、切割成型工序，其特征是在熱等靜壓與切割成型工序之間，還增加一熱處理工序，其目的在于消除復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高材料的尺寸穩(wěn)定性，并通過熱處理工藝，降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。
本發(fā)明上述金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料的制備方法中，所述的熱處理工序為在300～700℃保溫1小時，然后在6小時內(nèi)冷卻至50℃。
試驗證明本發(fā)明所述的材料能最大限度地同時滿足對材料高熱導(dǎo)、低膨脹的需求，所述方法在有效消除復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力的同時，可大大降低材料的熱膨脹系數(shù)。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。


圖1本發(fā)明金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料層狀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明所述制備方法流程圖。
實施例1．選擇Cu為金屬基體，以增強物SiC顆粒在不同層中體積百分含量不同，形成梯度復(fù)合材料，其中SiC顆粒尺寸為20μm，層數(shù)選擇為a、b、c三層，三層厚度等厚(其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示)，三層中Cu、SiC的體積百分含量分別為a層40％Cu,60％SiCb層50％Cu,50％SiCc層60％Cu,40％SiC本實施例的制備方法如圖2所示，依次按以下步驟進行(1)．按設(shè)計好的各層Cu和SiC的成分配比及SiC顆粒尺寸，分別配備好Cu粉(140目)和SiC粉。
(2)．將Cu粉在鉬絲爐中用氫氣還原，還原溫度400℃，還原時間2小時。
(3)．將Cu粉和SiC粉按比例放在混料桶中，加入適量酒精在微粒球磨機上混合，使其均勻，混合時間為6小時。
(4)．將混合均勻的粉料放入烘箱在80℃下烘干2小時。
(5)．烘干的粉料過篩后在四柱液壓機上壓制成Φ18×10mm的坯料，并裝入包套中，抽真空封焊后，進行熱等靜壓。
(6)對熱等靜壓后得到的坯料進行熱處理，具體工藝為在700℃下保溫1小時，然后在6小時內(nèi)冷卻至50℃。
(7)去掉包套，按需要切割成型。2．選擇Cu為金屬基體，以增強物SiC顆粒在不同層中體積百分含量不同，形成梯度復(fù)合材料，其中SiC顆粒尺寸為5μm，層數(shù)選擇為a、b、c三層，三層厚度等厚，三層中Cu、SiC的體積百分含量分別為a層40％Cu,60％SiCb層50％Cu,50％SiCc層60％Cu,40％SiC其制備過程，除熱處理保溫溫度為300℃外，其余步驟同實施例1。3．選擇Cu為金屬基體，以增強物SiC顆粒在不同層中顆粒尺寸不同，形成梯度復(fù)合材料。其中，層數(shù)選擇為a、b、c三層，三層厚度等厚，三層中SiC體積百分含量均為40％,SiC顆粒尺寸分別為a層5μmb層10μmc層20μm其制備過程，除熱處理保溫溫度為500℃外，其余步驟同實施例1。
下面分別對上述各實施例所得的梯度復(fù)合材料進行熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率測試，其中熱膨脹系數(shù)采用日本Fuji公司的FTM-4型全自動變形記錄測定裝置測試，試樣尺寸為Φ3×10mm；導(dǎo)熱率按國標GB5598-85方法測定，試樣尺寸為Φ15×15mm，測試溫度為50±1℃。
以上測試試驗結(jié)果見表1所示，其中，α為復(fù)合材料中a層(熱膨脹系數(shù)最低層)的熱膨脹系數(shù)，λ為復(fù)合材料沿圖1所示箭頭方向的導(dǎo)熱率。
表1本發(fā)明各實施例梯度復(fù)合材料的物理性能
為方便對比，采用與上述實施例同樣的工藝制備成不同SiC體積百分含量的單層復(fù)合材料(基體為Cu)，并進行性能測試(測試方法同上)，其結(jié)果見表2，其中，α為復(fù)合材料的的熱膨脹系數(shù)，λ為復(fù)合材料的導(dǎo)熱率。
表2不同SiC體積百分含量單層復(fù)合材料的物理性能(SiC顆粒尺寸20μm)
對比表1、表2中測試結(jié)果可見，當采用普通單層復(fù)合材料時，隨SiC體積百分含量的增加，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率均逐漸減小，要使材料同時滿足低膨脹、高熱導(dǎo)的使用需要，只能采取折中的辦法，這樣就必然犧牲某一方面的性能，不可能使兩方面的性能同時達到最佳值；與之相對應(yīng)，采用本發(fā)明所述的梯度復(fù)合材料后，一方面，可保證復(fù)合材料沿某一梯度方向(圖1所示箭頭方向，即實際使用時散熱方向)具有較高的導(dǎo)熱率；另一方面，還能夠保證復(fù)合材料的某一側(cè)層(圖1中a層，使用時與電封裝的陶瓷基材相結(jié)合的一層)具有較低的熱膨脹系數(shù)，這樣就很好地解決了使用普通單層復(fù)合材料時熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱率不能兼顧的問題。另外，試驗結(jié)果證明，采用具有良好電鍍性的Cu作金屬基體，可有效提高復(fù)合材料與基材的焊接性能及復(fù)合材料的散熱能力。
試驗表明，本發(fā)明的制備方法在增加前述熱處理工藝后，在有效消除復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力的同時，可大幅度降低材料的熱膨脹系數(shù)。為驗證這一點，分別對上述單層復(fù)合材料在制備過程中進行熱處理前后的熱膨脹系數(shù)進行測試(熱處理保溫溫度700℃)，其結(jié)果見表3，其中，α為熱處理前的熱膨脹系數(shù)，α′為熱處理后的熱膨脹系數(shù)。
表3熱處理對材料熱膨脹系數(shù)的影響
<p>從表3中可見，經(jīng)熱處理后，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)均有明顯的下降，這表明熱處理工藝確實對降低材料的熱膨脹系數(shù)具有顯著的效果。
綜上所述，本發(fā)明達到了預(yù)期效果，實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
除上述實施例層數(shù)設(shè)計為三層外，本發(fā)明復(fù)合電封裝熱沉材料所述層數(shù)也可以設(shè)計成兩層以上(含兩層)的任意層，這可視要求而定。另外，各層厚度既可設(shè)計成等厚(如本發(fā)明上述各實施例)，也可設(shè)計成不等厚，以滿足不同條件下的需要。再則，所述制備工藝包套工序中，包套內(nèi)可以放置相同的坯料，也可按所需要梯度排列不同的坯料，熱等靜壓后燒結(jié)成一個整體，以上這些都不脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料，由金屬基體和分布在金屬基體中的增強物SiC顆粒構(gòu)成，其特征在于所述金屬基體為Cu，所述增強物SiC顆粒的體積百分含量或顆粒尺寸呈多層梯度分布。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料，其特征在于所述增強物SiC顆粒的體積百分含量呈三層梯度分布，各層中SiC顆粒的體積百分含量依次為60％,50％,40％。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料，其特征在于所述增強物SiC顆粒的顆粒尺寸呈三層梯度分布，各層中SiC顆粒尺寸依次為5μm,10μm,20μm。
4．一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料的制備方法，依次包括配粉、粉末還原、混合、烘干、壓坯、包套、抽真空封焊、熱等靜壓、切割成型工序，其特征在于在熱等靜壓與切割成型工序之間，還增加一熱處理工序。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料的制備方法，其特征在于所述的熱處理工序為，在300～700℃下保溫1小時，然后在6小時內(nèi)冷卻至50℃。
全文摘要
一種金屬基復(fù)合電封裝熱沉材料及其制備方法,屬于微電子器件電封裝材料及其制造技術(shù)領(lǐng)域,所述材料由金屬基體和分布在金屬基體中的增強物SiC顆粒構(gòu)成,其特征是,所述的金屬基體為Cu,所述SiC顆粒的體積百分含量或顆粒尺寸呈多層梯度分布。其制備方法依次包括粉末還原、混合、烘干、壓坯、包套、抽真空封焊、熱等靜壓、切割成型,其特征是:在熱等靜壓后,還增加一熱處理工序。本發(fā)明可同時較好地滿足對材料高熱導(dǎo)、低膨脹兩方面的需求。
文檔編號H01B1/22GK1212438SQ9811777
公開日1999年3月31日 申請日期1998年9月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月18日
發(fā)明者吉元, 高曉霞, 李英, 鐘濤興 申請人:北京工業(yè)大學(xué)