[发明专利]一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热沉材料及其制备方法。

背景技术

随着现代电子技术的飞速发展，大功率电子元器件逐渐向着更高的集成度、更快的运行速度和更大的容量方向发展。这必然会导致电路发热量提高，工作温度不断上升。一般来说，在半导体器件中，温度每升高18℃，失效的可能性就增加2～3倍。为了保证电子元器件工作的可靠性就必须通过热沉或封装材料将产生的热量传导出去，这就要求热沉材料具有高的导热率(一般要求热导率高于120Wm^-1K^-1)。另一方面，由于热沉是直接与半导体芯片相连接，就要求其热膨胀系数要与芯片相匹配，以降低由于热错配应力而引起的电路失效问题。

目前AlN颗粒增强铜(AlNp/Cu)复合材料以其高导热、低膨胀、力学性能优良和易加工等特点而在电子封装的热沉材料领域显示出巨大的应用前景。但AlN与Cu在固态及液态下均不润湿，1100℃时两者之间的润湿角仍在118°以上，并且AlN颗粒本身难分散易团聚，给AlNp/Cu的制备带来困难，并导致复合材料组织均匀性差。德国Fraunhofer应用材料研究中心粉末冶金实验室采用电脉冲烧结技术制备了AlN体积分数在40％，60％和80％的AlNp/Cu复合材料，并对其热物理性能进行了研究。但是由于该方法制备的复合材料致密度较差材料中含有较多的空洞，导致材料的导热性能很差(热导率低于100Wm^-1K^-1)。2004年，日本九州产业技术综合研究所采用粉末冶金方法制备出了高热导率AlNp/Cu复合材料，其中40％AlNp/Cu复合材料的热导率达到235Wm^-1K^-1，而热膨胀系数仅为12.6ppm/K。该方法的关键技术在于，首先采用Y₂O₃粉末对原始多晶AlN粉末进行二次烧结净化处理制备出高导热率AlN单晶粉末，然后将烧结后的单晶陶瓷破碎研磨成纳米颗粒，作为金属基复合材料的增强体。这种方法制备的复合材料虽然性能优良，但是由于制备工艺复杂，需要在高温下(＞1000℃)对AlN陶瓷进行二次净化处理，并需要进行研磨破碎，将已经烧结成为块体材料的AlN再次粉碎成颗粒，而且在AlN二次净化烧结过程中大部分Y₂O₃最终由于高温挥发而流失，这些都增加了产品成本，不利于工业化生产。2010年波兰的电子材料技术学院采用氩气保护热压烧结加后续热压成型工艺制备AlNp/Cu复合材料，材料得到了较高的性能，热导率238.75Wm^-1K^-1。但是该方法也同样存在着材料制备工艺复杂，成本高的问题。

发明内容

本发明是要解决现有的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备工艺复杂、成本高的技术问题，而提供一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料及其制备方法。

本发明的一种AlN颗粒增强铜复合热沉材料是按质量百分比由1％～15％的粒径1～5μm的稀土化合物、10％～70％粒径为5～350μm的AlN颗粒和25％～89％的粒径为5～350μm的电解铜制成；其中稀土化合物为Y₂O₃、CaO、Ca₂F和SrO粉末中的一种或几种的组合。

上述的AlN颗粒增强铜复合热沉材料的制备方法按以下步骤进行：

一、按质量百分比称取1％～15％的粒径1～5μm的稀土化合物、10％～70％粒径为5～350μm的AlN颗粒和25％～89％的粒径为5～350μm的电解铜；再按稀土化合物、AlN颗粒和电解铜质量之和的1％～5％称取硬脂酸；其中稀土化合物为Y₂O₃、CaO、Ca₂F和SrO粉末中的一种或几种的组合；

二、将步骤一称取的稀土化合物、AlN颗粒、电解铜和硬脂酸加入到球磨机中，其中球料质量比10∶(1～2)，在氮气或氩气保护下，球磨机以250～300r/min的转速，球磨混合1～10h，得到混合粉末；

三、将步骤二得到的混合粉末放入磨具中，在压力为350～600MPa的条件下保压15min，得到预制件；

四、将步骤三得到的预制件放入焙烧炉中，在氢气保护气氛下，以100～200℃/h的速率升温至500～800℃并保温1～3h，然后随炉冷却至室温，得到预烧件；