[发明专利]一种具有显微扩散阻挡层的铜/硅封装材料及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种铜/硅电子封装材料及其制备方法，特别涉及一种具有氧化铝、氮化铝或二者复合薄膜结构显微扩散阻挡层的铜/硅电子封装材料及其制备方法。

二、背景技术

半导体芯片与外封装材料之间因散热性能不佳而导致的超温与热疲劳以及因热膨胀系数的不匹配而引起的热应力是功率电子器件的主要失效形式。目前功率电子器件常用的电子封装材料有：铝、铜、钨、钼、钨铜、氧化铝、氧化铍、氮化铝、可筏合金等。其中，铝、铜的热膨胀系数很大，同硅、砷化镓等半导体器件的热膨胀系数匹配差；可筏合金和氧化铝的热导率太小；钨、钼及钨铜材料的密度大、原材料成本高；氮化铝存在加工、电镀性能差的问题；氧化铍具有毒性。因此，有必要发展新型的高导热、低成本封装材料。

铜具有接近400W/m·K的热导率，能够作为散热的良导体，硅具有低的热膨胀系数，二者复合可望得到同时具有低热膨胀系数和高热导率的电子封装材料。而且，硅元素在地球的蕴藏量大，原材料成本很低，还具有优良的加工和焊接性能，铜硅复合材料的成功制备能够得到一种廉价的高导热封装材料。

目前，人们不能制备出铜硅复合材料的关键在于铜、硅二者在温度超过150℃时就会发生反应，温度升高到450℃以上时二者的反应迅速加剧，生成多种不同的硅化物，导致不能得到铜、硅二种组元复合的材料。

三、发明内容

本发明的目的在于提出一种具有氧化铝、氮化铝或二者复合薄膜结构显微扩散阻挡层的铜/硅复合材料及其制备方法，在铜、硅粉末表面镀覆氧化铝/氮化铝扩散阻挡层薄膜，用氧化铝、氮化铝或二者复合薄膜阻隔铜、硅二组元在高温烧结时的相互扩散和界面反应，从而能够通过高温烧结得到铜/硅封装材料。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种具有显微扩散阻挡层的铜/硅电子封装材料，包括占总重量为20％--60％的颗粒尺寸为1-200μm的硅和占总重量为80％--40％的晶粒尺寸为45-300μm的铜，其中硅颗粒表面是由1nm-10μm厚度的氧化铝、氮化铝或二者复合构成的扩散阻挡层薄膜，铜组元构成连续基体组织。

一种具有显微扩散阻挡层的铜/硅电子封装材料的制备方法，用溶胶凝胶和预烧结技术在颗粒尺寸为1-200μm的硅粉末表面镀覆扩散阻挡层薄膜，其中扩散阻挡层薄膜由氧化铝、氮化铝或二者复合薄膜构成；将处理后的占总重量为20％--60％的硅粉和占总重量为80％--40％的晶粒尺寸为45-300μm的铜粉混合后经粉末冶金方法制备成为致密材料。

在颗粒尺寸为1-200μm的硅粉末表面镀覆氧化铝扩散阻挡层薄膜可采用有机铝盐水解法，具体方法是：将异丙醇铝在去离子水中于20-100℃水解，其中异丙醇铝/去离子水的摩尔比小于或等于10％以形成氧化铝溶胶。将粒度为1-200μm、重量比小于或等于20％的硅粉倒入氧化铝溶胶中，充分搅拌后，在20-200℃间干燥1-10小时；干燥后的硅/氧化铝改性混合粉末在真空或还原气氛中在700-1400℃锻烧1-10小时；锻烧后的粉末可再次在氧化铝溶胶镀膜和二次锻烧处理，上述过程可反复进行一至五次，得到表面具有1nm-10μm厚氧化铝显微膜层包覆的改性硅粉。

在颗粒尺寸为1-200μm的硅粉末表面镀覆氮化铝扩散阻挡层薄膜可采用氧化铝碳热还原法，具体方法是：将上述涂镀氧化铝薄膜的硅粉与粒度小于20μm的碳粉按重量比大于或等于10∶1的比例混合，在1000-1500℃氮气气氛烧结1-20小时，制备出具有氮化铝薄膜结构的硅粉；烧结后的硅粉可在空气中650-750℃烧结1-5小时氧化除碳，并可再次进行溶胶镀膜和二次氮化烧结处理，上述过程可反复进行一至五次，得到表面具有1nm-10μm厚氮化铝显微膜层包覆的改性硅粉。