專利名稱：電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及的是一種電子封裝用 金剛石增強金屬基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
電子封裝是把構(gòu)成電子器件或集成電路的各個部件按規(guī)定的要求實現(xiàn)合理 布置、組裝、鍵合、連接、與環(huán)境隔離和保護的操作工藝,它要求所使用的封裝 材料既有高的導(dǎo)熱率，又有低的熱膨脹率,而且起到機械支撐、電氣連接、物理保 護、外場屏蔽、應(yīng)力緩和、散熱防潮、尺寸過渡以及穩(wěn)定元件參數(shù)的作用。在微 電子技術(shù)高速發(fā)展的今天,半導(dǎo)體集成電路封裝密度越來越大，目前常用的電子 封裝材料其熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前集成電路和芯片技術(shù)的發(fā)展 需求，因此新型電子封裝材料的研制已成為發(fā)展電子器件的關(guān)鍵之一。目前，各 種新型封裝材料己成為各國競相研發(fā)的熱點，新型微電子封裝材料不僅要有高的
熱導(dǎo)率，而且還必須具有與半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)。目前常用的A1N、 A1203、 SiC、 Cu-W、 Cu-Mo、 A1-SiC等材料，它們的熱膨脹系數(shù)可以滿足電子封 裝材料的需求，與Si、 GaAs等半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)相匹配，但熱導(dǎo)率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn) 不能滿足。金剛石是已知自然界中熱導(dǎo)率最髙的物質(zhì)，單晶金剛石的熱導(dǎo)率可達 到2 000W /(m*K),且室溫下金剛石是絕緣體，其在半導(dǎo)體、光學(xué)等方面也具 有很多優(yōu)良特性，但單一的金剛石不易制作成封裝材料，且成本很高，較理想的 是用其做成金屬基復(fù)合材料。在1995年，美國Lawrence Livermore國家實驗室 與SunMicrosystems公司合作開發(fā)了金剛石/銅復(fù)合材料，稱之為Dymalloy,其 熱導(dǎo)率達到420W /(m'K)，25'C 200'C時的CTE為(5, 48 6. 50) X 1(T/K，與 GaAs、 Si的熱膨脹系數(shù)相匹配，作為多芯片模塊(MCM)的基板使用，但制備工藝 復(fù)雜、成本極髙。最近幾年，工業(yè)發(fā)達國家特別是日本對金剛石/銅復(fù)合材料做 了大量研究，并在制備方面取得了巨大突破。2002年，日本SoroitomoElectric
4Indus-tries(SEl)公司也開發(fā)出銅/金剛石復(fù)合材料，熱導(dǎo)率有明顯的提高。2006 年，日本科學(xué)家YasuyukiiAgafi等采用放電等離子燒結(jié)法制備出金剛石體積分 數(shù)為60%的金剛石/銅復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率可達到600W /(m.K)以上。而國內(nèi)對 于金剛石/銅復(fù)合材料的研究主要集中于金剛石工具和磨具制造方面，對于金剛 石/銅復(fù)合材料在電子封裝領(lǐng)域的研究還較少，迫切需要給予更多的關(guān)注和探索 研究，并且在國內(nèi)關(guān)于采用金剛石增強銀基體或鋁基體復(fù)合材料的研宄尚未見報 道。目前國內(nèi)外制備方法主要采用粉末冶金法和擠壓鑄造法和放電等離子燒結(jié) 法。
國內(nèi)外關(guān)于此類材料的研宄主要如下黃強，顧明元.電子封裝材料的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報，2000， 114(9): 28-32. Zweben C, Advanced materials for optoelectronic packa-ging[J] Electron packaging prod， 2002, 42(9): 37-40- Katsuhito Yoshida，HideakiMorigam. i Thermal properties of diamond/coppercompositematerial[J], Microelectronics reliability, 2004(44): 303-308. Agari Yasuyuk, i Inour Kanryu. Thermal conductivity of copper composites dispersed with diamond particles pre-pared by spark plasma sintering[ J]. Thernophys prop, 2006， 27: 328-330.
文獻1綜述了電子封裝材料的現(xiàn)狀，可以看出現(xiàn)有電子封裝材料已經(jīng)越來越 不能滿足電子行業(yè)對于高集成度芯片散熱的需要,急迫需要開發(fā)新型的電子封裝 材料。文獻2-4研究了關(guān)于作為電子封裝用的Cu-金剛石復(fù)合材料制備方法與熱 物理性能，研究結(jié)果顯示Cu-金剛石具有良好的性能，極具潛力用于下一代電子 封裝材料。其制備方法分別為熱壓，熱等靜壓以及電火花燒結(jié)等致密方式，其優(yōu) 點是可獲得高的致密度及隨之帶來的良好的熱物理性能，缺點是以上幾種制備方 法均為高成本制備，對于規(guī)模化應(yīng)用有一定難度。同時由于沒有很好解決界面結(jié) 合問題，導(dǎo)致材料力學(xué)性能不良。
綜上所述，國內(nèi)外研究金剛石增強金屬基復(fù)合材料的主要難點難以獲得高 致密材料，制備成本昂貴，制備手段難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺陷,提供一種高導(dǎo)熱性能的電子封 裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料及其制備方法，可以獲得高致密材料，降低制備 成本，便于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明所提供的一種電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料，其包含的組分 及體積百分比含量為金剛石(030% 90%,添加元素0.1% 5%,金屬基體10% 70%;其中所述添加元素包含以下元素的一種或幾種Zr、 Cr、 Ti、 B。
所述金屬基體包括Ag、 Cu、 Al金屬中的一種。
所述金剛石粉末粒度在1 150nm之間。
本發(fā)明還提供上述電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，包括 以下步驟
第一步，首先按照比例將基體金屬粉末、添加元素粉末及金剛石粉末混粉球
磨；
所述球磨時間為lh-20h，球料比為l: 1~20: 1。
所述金屬基體粉末為Ag、 Cu、 Al金屬粉末中的一種。基體金屬粉末占所需 制備復(fù)合材料總體積的5 30%。
第二步，將球磨后的粉末壓制成坯料；
所述將球磨后的粉末壓制成坯料，是指在50MPa 150MPa壓強下將球磨后的 粉末壓制成坯料。
第三步，采用相應(yīng)重量基體金屬塊與壓制成型的坯料在熔滲爐中進行熔滲； 所述相應(yīng)重量-復(fù)合材料基體金屬總體積-第一步中基體金屬粉末體積。 所述基體金屬，為Ag、 Cu、 Al金屬中的一種。
所述熔滲，其中金屬銀的熔滲溫度為1000 1250。C，金屬銅的熔滲溫度為 1100 135(TC，金屬鋁的熔滲溫度為700 95(TC。熔滲時間依據(jù)材料形狀厚度 決定；熔滲氣氛為氫氣氣氛或惰性氣氛。熔滲時間-熔滲速度X材料厚度，熔滲
速度為2鵬in/, 5raiin/鵬之陶。
第四步，對燒結(jié)后的坯料進行復(fù)壓；
所述復(fù)壓壓強為100 500MPa,復(fù)壓時間為10秒 1分鐘。
6本發(fā)明添加了 Zr、 Cr、 B、 Ti等元素，此類元素在制備過程中會首先與基體 金屬進行合金化形成均勻的合金熔融液體，之后此類元素將于金剛石顆粒表面反 應(yīng)生成化合物，所形成的化合物具有高導(dǎo)熱性，并且與金屬基體有著非常良好的 潤濕性。因此采用此類元素添加的設(shè)計方法，可以實現(xiàn)液相熔滲方法實現(xiàn)致密復(fù) 合材料的制備。熔滲方法的采用很大程度上簡化了材料制備流程，具有工藝操作 簡單的特點，降低了制備成本，同時便于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。金剛石顆粒具有高導(dǎo) 熱及低膨脹的優(yōu)良特性，Ag/Al/Cu基體具有優(yōu)良的高導(dǎo)熱特性，添加元素可以 改善潤濕性，但會降低材料的傳導(dǎo)性能。因此金剛石顆粒、微量元素及Ag/Cu/Al 基體材料的含量在綜合考慮導(dǎo)熱性能與熱膨脹性能的基礎(chǔ)上，選擇金剛石(C) 30% 90%，添加元素O. 1% 5%,金屬基體10% 70%。
本發(fā)明研制的電子封裝材料具有高致密度、高導(dǎo)熱、低膨脹、機械強度好等 特點，完全滿足電子封裝用材料的要求。與常用粉末冶金方法制備的現(xiàn)有電子封 裝材料相比，本發(fā)明材料導(dǎo)熱性能提高100 200W/m. K,熱膨脹系數(shù)降低2X 1(T/K，密度接近完全致密，可達9將以上的致密度，機械強度在200 500MPa 之間。


圖1為本發(fā)明的方法流程圖
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實施例進行描述，但是以下實施例只是為了進一 步理解本發(fā)明技術(shù)方案，并不用于限定本發(fā)明的范圍。以下實施例中含量比例均 為體積比。
實施例一
以制備厚度為0. 5mra的Ag-3W金剛石為例
首先將3WAg粉、30%金剛石粉(粒度為150nxn)及0.1%的Cr粉、混合球磨， 球料比為l: 1，球磨時間為20h;
然后將球磨好的粉料在壓強為50MPa下壓制成坯體；
辨壓坯與39%Ag金屬一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為125(TC，熔滲 時間-5min/mmX0. 5咖=2. 5分鐘，氣氛為氫氣氣氛；
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于500MPa下復(fù)壓1分鐘，即可得到30%金剛石增強的銀基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為550W/m.K，熱膨脹系數(shù)為8.5X 1(T/K，抗彎強度為300MPa。
實施例二
以制備厚度為200mm的Ag-90%金剛石為例
首先將5%Ag粉、90%金剛石粉(粒度為lp)及5%的B粉混合球磨，球料 比為20: 1，球磨時間為lh;
然后將球磨好的粉料在壓強為150MPa下壓制成坯體；
將壓坯與4呢Ag金屬一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為100(TC，熔滲時 間-2min/咖X200mra-400分鐘，氣氛為氫氣氣氛；
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于lOOMPa下復(fù)壓10秒，即可得到90%金剛 石增強的銀基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為700W/m. k，熱膨脹系數(shù)為4.5X1(TVK， 抗彎強度為450MPa 。
實施例三
以制備厚度為0. 5ram的01-30%金剛石為例
首先將30%Cu粉、30%金剛石粉(粒度為150網(wǎng))及0.1%的Zr粉混合球磨， 球料比為l: 1,球磨時間為20h;
然后將球磨好的粉料在壓強為50MPa下壓制成坯體；
將壓坯與39%Cu金屬一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為135(TC,熔滲 時間-5min/mraX0. 5mm-2.5分鐘，氣氛為氫氣氣氛；
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于500MPa下復(fù)壓1分鐘，即可得到30%金 剛石增強的銅基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為450W/ra.K，熱膨脹系數(shù)為9. OX IO"VK，抗彎強度為350MPa。
實施例四
以制備厚度為200mm的Cu-90%金剛石為例
首先將59iCu粉、90%金剛石粉(粒度為l拜)及59fe的Ti粉混合球磨，球料 比為20: 1,球磨時間為lh;然后將球磨好的粉料在壓強為150MPa下壓制成坯體；
將壓坯與4%01金屬一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為110(TC，烙滲時 間=2分鐘/毫米乂200毫米=400分鐘，氣氛為氫氣氣氛；
將熔滲完成后樣品在100MPa下復(fù)壓10秒，即可得到90%金剛石增強的銅基 復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為650W/m. K，熱膨脹系數(shù)為5.5X1(T/K，抗彎強度為 500MPa。
實施例五
以制備厚度為0. 5mm的Al-309i金剛石為例
首先將30%A1粉、30%金剛石粉(粒度為150罔)及0. 1%的Zr粉混合球磨， 球料比為l: 1,球磨時間為20h。
然后將球磨好的粉料在壓強為50MPa下壓制成坯體，
將壓坯與39%A1金屬一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為950'C，熔滲時 間=5分鐘/毫米乂0.5毫米=2.5分鐘，氣氛為氫氣氣氛。
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于500MPa下復(fù)壓1分鐘，即可得到30%金 剛石增強的鋁基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為250 W/m.K，熱膨脹系數(shù)為8.5X 1(T/K，抗彎強度為200MPa。
實施例六
以制備厚度為200mra的A1-90%金剛石為例
首先將5%A1粉、90%金剛石粉(粒度為l拜)、0. 5%的Ti粉、2%Cr粉、及 2.5WB粉混合球磨，球料比為20: 1，球磨時間為lh。
然后將球磨好的粉料在壓強為150MPa下壓制成坯體。
將壓坯與4%A1金屬塊一起在熔滲爐中進行熔滲，烙滲溫度為70(TC，熔滲 時間=2分鐘/毫米乂200毫米=400分鐘，氣氛為氫氣氣氛。
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于lOOMPa下復(fù)壓10秒，即可得到90%金剛 石增強的銅基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為400 W/m. K，熱膨脹系數(shù)為7. OX 1(T/K， 抗彎強度為350MPa。
實施例七以制備厚度為lOmra Ag-5(m金剛石為例
首先將15WAg粉、50%金剛石粉(粒度150拜)、0.3%B、 WCr粉混合球磨， 球料比為l: 1，球磨時間為20h。
然后將球磨好的粉料在壓強50MPa下壓制成坯體。
將坯體與剩余的35%Ag金屬塊一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為1000 °C,熔滲時間=2分鐘/毫米乂100毫米=200分鐘，氣氛為氫氣氣氛。
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于200MPa下復(fù)壓10秒，即可得到50%金剛 石增強的銀基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為450 W/m. K，熱膨脹系數(shù)為7. 5X 1(T/K， 抗彎強度為380MPa。
實施例八
以制備厚度為lOmra 01-50%金剛石為例
首先將15WCu粉、50%金剛石粉(粒度30拜)、0.5%B、 0.5WTi粉混合球磨， 球料比為5: 1，球磨時間為10h。
然后將球磨好的粉料在壓強50MPa下壓制成坯體。
將坯體與剩余的3494Cu金屬塊一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為1200 °C，熔滲時間=2分鐘/毫米乂100毫米=200分鐘，氣氛為氫氣氣氛。
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于200MPa下復(fù)壓10秒，即可得到50%金剛 石增強的銀基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為400 W/m. K，熱膨脹系數(shù)為7. 7X 1(T/K， 抗彎強度為300MPa。
實施例九
以制備厚度為10mra Ag-6(m金剛石為例
首先將15%Ag粉、60%金剛石粉(粒度IO拜)、0. 5%B、 0. 5%Cr、 0. 5%Ti粉 混合球磨，球料比為l: 1，球磨時間為10h。
然后將球磨好的粉料在壓強100MPa下壓制成坯體。
將坯體與剩余的24. 5%Ag金屬塊一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為1100 °C，熔滲時間=3分鐘/毫米乂100毫米=300分鐘，氣氛為氫氣氣氛。
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于300MPa下復(fù)壓15秒，即可得到60%金剛
10石增強的銀基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為500 W/m. K，熱膨脹系數(shù)為7. 0X 10"7K， 抗彎強度為400MPa。
實施例十
以制備厚度為IO咖Ag-70%金剛石為例
首先將10%Ag粉、70%金剛石粉(粒度IO拜)、0. 5%B、 0. 5%Cr、 0. 5%Ti、 l%Zr 粉混合球磨，球料比為2: 1，球磨時間為8h。
然后將球磨好的粉料在壓強200MPa下壓制成坯體。
將坯體與剩余的17. 5"Mg金屬塊一起在熔滲爐中進行熔滲,熔滲溫度為1100 °C，熔滲時間二2分鐘/毫米X100毫米二200分鐘，氣氛為氫氣氣氛。
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于350MPa下復(fù)壓15秒，即可得到70%金剛 石增強的銀基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為550 W/m. K，熱膨脹系數(shù)為6. 5X IO"VK， 抗彎強度為450MPa。
實施例十一
以制備厚度為10mm Cu-70%金剛石為例
首先將lC^Ag粉、70%金剛石粉(粒度IO拜)、0. 3%B、 0. 2%Cr、 0. 5%Ti、 l%Zr 粉混合球磨，球料比為2: 1，球磨時間為8h。
然后將球磨好的粉料在壓強200MPa下壓制成坯體。
將坯體與剩余的18WAg金屬塊一起在熔滲爐中進行熔滲，熔滲溫度為1100 。C，熔滲時間=2分鐘/毫米乂100毫米=200分鐘，氣氛為氫氣氣氛。
將熔滲完成后樣品在四柱壓機上于350MPa下復(fù)壓15秒，即可得到70%金剛 石增強的銀基復(fù)合材料，該材料導(dǎo)熱率為550 W/m. K，熱膨脹系數(shù)為6. 5X 1(T/K， 抗彎強度為450MPa。
1權(quán)利要求
1.一種電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料，其特征在于，包含的組分及體積百分比含量為金剛石30％～90％，添加元素0.1％～5％，金屬基體10％～70％；其中所述添加元素包含以下元素的一種或幾種Zr、Cr、Ti、B。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料,其特征在于，所述金屬基體包括Ag、 Cu、 Al金屬中的一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料，其特征在于，所述金剛石粉末平均粒度在1 150拜之間。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，首先按照比例將基體金屬粉末、添加元素粉末及金剛石粉末混粉球磨；基體金屬粉末占所需制備復(fù)合材料總體積比例的5 30%;第二步，將球磨后的粉末壓制成坯料；第三步，采用相應(yīng)重量基體金屬塊與壓制成型的坯料在熔滲爐中進行熔滲；所述相應(yīng)重量=復(fù)合材料基體金屬總體積-第一步中基體金屬粉末體積；第四步，對燒結(jié)后的坯料進行復(fù)壓。
5. 如權(quán)利要求4所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，第一步中，所述球磨時間為lh-20h，球料比為l: 1 20: 1。
6. 如權(quán)利要求4所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述金屬基體粉末為Ag、 Cu、 Al金屬粉末中的一種；所述基體金屬，為銀、銅、鋁金屬中的一種。
7. 如權(quán)利要求4所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，第二步中，所述將球磨后的粉末壓制成坯料，是指在50MPa 150MPa壓強下將球磨后的粉末壓制成坯料。
8. 如權(quán)利要求4所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，第三步中，所述熔滲，其中金屬銀的熔滲溫度為1000 125(TC，金屬銅的熔滲溫度為1100 135(TC，金屬鋁的熔滲溫度為700 95(TC。
9. 如權(quán)利要求4或8所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，第三步中，所述熔滲，其氣氛為氫氣氣氛或惰性氣氛；熔滲時間=熔滲速度X材料厚度；熔滲速度為2min/mm min/mm之間。
10. 如權(quán)利要求4所述的電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，第四步中，所述復(fù)壓，其壓強為100 500MPa，復(fù)壓時間為IO秒 1分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電子封裝用金剛石增強金屬基復(fù)合材料及其制備方法，所述材料包含的組分及體積百分比含量為金剛石30％～90％，添加元素0.1％～5％，金屬基體10％～70％；其中所述添加元素包含以下元素的一種或幾種Zr、Cr、Ti、B。所述金屬基體包括Ag、Cu、Al金屬中的一種。該材料采用混粉、壓制、熔滲、復(fù)壓。由于采用合金元素添加的方法極大改善了物相之間相互的潤濕性，因此本發(fā)明所制備的材料與以往電子封裝材料相比具有更為優(yōu)良的導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能；所采用的液相熔滲方法具有操作簡單、成本低廉、適合規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)勢。
文檔編號C22C1/10GK101649400SQ20091005506
公開日2010年2月17日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者甘可可, 祁更新, 曉 陳, 陳樂生 申請人:溫州宏豐電工合金有限公司