[发明专利]一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石复合材料，特别是涉及一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料，本发明还涉及该高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法。

背景技术

大规模集成电路的允许工作温度范围通常为0～70℃，可靠使用温度范围为0～40℃。半导体器件发热面温度上升到100℃时，性能开始下降；温度由100℃每升高25℃时，故障率将增加5～6倍。但由于电路高速运转而产生的热量甚至可以使电路局部温度达到400℃。近年来，以高温半导体材料SiC、GaN、AlN和掺杂金刚石为代表的宽带隙半导体器件的开发引人注目，它们具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、载流子迁移率高、介电常数小、抗辐射能力强等特点，被誉为是继Si、GaAs之后的第三代半导体材料。在高温、高频、大功率电子领域具有广阔的应用前景，这类器件大都工作在高温环境中，需要特殊的封装，过去人们对高温器件的封装注意很少，但随着高温电子器件的不断发展(如GaN高温器件，其工作温度可达600℃以上)，常规的电子封装材料如玻璃环氧电路板，镀铜线和铅锡焊料等已完全不能适用，甚至标准的氧化铝陶瓷封装也不能满足要求，迫切需要新的封装材料和技术。

半导体封装要求基片、机壳及盖板等材料都必须有良好的热传导性，以保证电子器件在使用过程中导致的高发热量能及时散发，防止热敏的半导体及其他元件被破坏，减少热应力引起的宏观开裂、扭曲变形、分层及其他电学和机械力学性能的过早失效。金刚石除了作为钻石具有宝贵的美学价值外，还具有一系列优异的物理化学性能，其中包括最高的硬度、弹性模量，极高的击穿场强、热导率、载流子迁移率，极低的线膨胀系数、摩擦系数，很宽的禁带、光学透过率，非常好的化学稳定性和生物相容性，纯净的金刚石为良好的绝缘体，掺杂后可成为良好的半导体甚至可能成为超导体等。金刚石的热导率极高，室温时II型天然单晶金刚石的热导率为铜的4～5倍。达2200W·K^-1·m^-1；金刚石的热膨胀系数(1.0～2.0)×10^-6K^-1与第三代半导体材料相当，密度比传统金属封装材料小，具有优良的高温性能、抗辐射性能和化学稳定性，适合于高温、高频、大功率电子器件封装的高导热要求。

目前，很多研究集中在将金刚石微粉与金属复合，利用金刚石的高导热性能来提高复合材料的热导，但该方法的获得的热导率多为200～600W·K^-1·m^-1，远低于金刚石。随着CVD生长金刚石膜研究的不断深入、制备技术的不断改进，制备金刚石膜的质量和沉积速率逐渐提高。通过控制金刚石的组织结构，CVD金刚石膜的热导率已经达到1000～2200W·K^-1·m^-1，接近II型天然金刚石的水平。

铜具有高熔点(1356K)、低电阻系数(1.72μΩ·cm)、高热导率(401W·K^-1·m^-1)、高抗电子迁移能力，耐氧化和腐蚀，较高的机械强度，良好的延展性和可塑性，易机械加工，易焊接等特点。金刚石具有极高的热导率，铜具有极高的电导率，如能使两者的优势充分结合，开发可用于高温、高频、大功率半导体电子器件的高热导、高电导、低功耗封装材料，可极大地推进高温、高频、大功率宽禁带半导体技术的发展，促进高温电子技术的进步，实现第三代高温半导技术在航空航天用高温传感器、宇宙探索的高温强辐射环境、通信雷达系统的高可靠射频器件、核反应堆的高温探测和监控等领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能实现高性能定向导热的高性能定向导热铜基金刚石复合材料。

本发明所要解决的第二个技术问题提供一种实现该高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明所采用的高性能定向导热铜基金刚石复合材料，包括铜基体，在所述的铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的直径为0.5～10mm，所述的金刚石棒的间距为0.5～50mm。

所述的金刚石棒采用矩阵排列。

所述的金刚石棒的中心轴向设有线性芯，所述的线性芯的直径为0.1～30mm，所述的线性芯选用丝状或棒状的铜、钨、钼或钛。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，在铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，金刚石棒的直径为0.5～10mm，金刚石棒的间距为0.5～50mm，包括以下步骤：