[发明专利]一种高热导率金刚石/Cu电子封装复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子封装复合材料制备领域，具体涉及一种高导热率金刚石/Cu电子封装复合材料的制备方法，尤其涉及采用粉末覆盖燃烧法对金刚石表面镀Mo和采用气体压渗方法制备高导热率金刚石/Cu电子封装复合材料。

背景技术

现代化工业水平、国防技术高度发展，人类已进入微型计算机、移动通信等电子技术飞速发展的信息时代，世界各国对信息技术和产品的要求提高，使半导体集成电路(IC)向高密度、高性能的方向发展。半导体器件的集成度增加，器件单位功率提高，发热量增大，使得封装形式由表面贴装器件向立体微电子封装技术方向发展。工作环境的恶化也对电子封装材料提出了更高的要求，电子封装材料日益向小型化、轻便化、低成本、高性能和高可靠性的方向发展。芯片集成度的提高，导致电路工作温度上升，材料由于热疲劳和热膨胀系数不匹配而引起的热应力增大，导致半导体器件的失效概率增大。解决上述问题一是要进行合理的热封装和散热设计，二是急需开发一种具有高热导、低热膨胀系数以及良好综合性能的新型电子封装材料。

现代电子封装材料不仅要有高的热导率，还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数。传统的电子封装材料如塑料、陶瓷和金属，在上述热学性能方面都或多或少存在不足。例如，铜因其具有高的热导率和良好加工性能较早便用于电子封装材料，但是其热膨胀系数与半导体芯片不匹配，限制了其实际应用。

金刚石不仅具有较高的热导率，可达600～2000W/(m·K)，而且具有较低的热膨胀系数(0.8×10^-6/K)。利用金刚石低的热膨胀系数来调节金属材料过高的热膨胀系数，发挥金刚石良好热导率的优势，可发展一系列兼具高热导率、低热膨胀系数、低密度的新型电子封装复合材料。然而，非金属的金刚石与金属之间的润湿性差，界面热阻高，导致复合材料的实际热导率较低。原因在于金刚石晶体中，碳原子间通过sp3杂化轨道形成高能的共价单键，构成了稳定的正四面体结构。同时，所有的价电子都参与了成键，使得金刚石具有稳定的晶体表面。当它们与金属基体复合制备成电子封装材料时，由于金刚石强的化学惰性，难以形成结合良好的两相界面。因此，在金刚石强化金属基复合材料的研究中，改善两相界面、以实现金刚石高导热性能向金属基体的传递，是获得高性能金刚石强化金属基电子封装复合材料的关键。改善两相界面结合的方法主要有三种，即金属基体改性、金刚石表面金属化和复合材料制备工艺控制。本发明侧重金刚石表面的金属化和复合材料制备工艺。通过对金刚石颗粒表面进行镀覆处理并采用气体压渗方法，达到改善金刚石和铜之间的界面结合，有效降低界面热阻，制得具有高热导率的金刚石/铜(Diamond/Cu)复合材料的目的。

发明内容

本发明要解决的2个技术问题，一是发明一种粉末覆盖燃烧法对金刚石表面镀Mo的方法。镀覆层从内向外，内层是碳化物层，该层强固地附着在金刚石表面上；外层为合金层或金属层，该层的形成，使金刚石表面具有金属特性：即可导电性、可焊接性和可烧结性；二是利用合理设计的高压气体驱动基体Cu熔体有效填充金刚石预制体颗粒间的孔隙，通过保温保压处理，实现对复合材料界面结构的有效控制，以提高复合材料的热导率。

由于电子主导铜的热传导，声子主导金刚石的热传导。因此，对于金刚石/金属基复合材料的热传导，能量转换必须发生在电子和声子之间。为此，在金刚石和金属之间镀覆一层非常薄的碳化物相界面层必定有利于促进电子-声子之间的耦合。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种高导热率金刚石/Cu电子封装复合材料的制备方法，采用粉末覆盖燃烧法对金刚石表面镀Mo，将金刚石：MoO₃＝1：2～1：4(wt％)置于玛瑙研钵中混合均匀，将其装于氧化铝坩埚中，分别置于通有氢气、氩气气氛的管式炉中加热，温度为900～1050℃，保温时间2-4h，完成镀钼过程。镀钼后的刚石颗粒随炉冷却取出后，对金刚石颗粒进行超声波清洗并烘干。将处理后的金刚石装入Al₂O₃陶瓷管内振实，形成金刚石颗粒多孔体预制体。预制体的密度为50～65vol.％。将预制体放入石墨模具中，Cu装入坩埚。然后将石墨模具和坩埚放入浸渗炉内，密封和紧固浸渗炉炉体；将浸渗炉炉腔抽真空，当浸渗炉炉腔达到预定真空度后开始加热预制体、熔化Cu；控制加热过程使金刚石颗粒预制体和熔融Cu达到预定温度后施加一定的成形压力，保温一定时间，使得液态Cu渗入金刚石颗粒预制体并充满颗粒间的孔隙，最终获得高导热率的金刚石/Cu电子封装复合材料。