[发明专利]一种金刚石-铝复合材料的化学镀镍方法

说明书

本发明涉及一种金刚石/铝复合材料的化学镀镍方法。该化学镀镍方法的前处理按常规的铝合金化学镀镍的前处理工艺进行，分为清洗除油、一次浸锌、退锌和二次浸锌；之后的操作步骤如下：1.在碱性化学镀镍液中预镀镍，镍层厚度为0.5～1μm；2.对预镀镍后的复合材料进行敏化和活化，使金刚石表面具有化学活性；3.在酸性化学镀镍液中进行镀镍，镍层厚度8～12μm；4.镀后热处理，增加镀镍层与复合材料的界面结合强度。采用本发明的化学镀镍方法可在复合材料的金刚石和铝基体表面同时沉积镍，镍层致密完整。对镀镍复合材料热处理后，按照SJ20130‑92《金属镀层附着强度试验方法》中热震实验标准在250℃以上热震循环8～10次，镀镍层无起泡现象与裂纹产生。

技术领域

本发明涉及电子封装材料工程应用领域，具体涉及金刚石/铝复合材料的表面化学镀镍方法。

背景技术

随着电子技术不断发展，电子器件和电子设备中元器件的集成度和功率密度越来越高，势必导致器件产生的热量显著增加，从而增加元器件失效的几率，因此高效散热是电子信息产业发展需亟待解决的一个关键问题。金刚石是自然界中导热系数最高的物质(可高达2000W/m·K)，其导热系数是铜的4-5倍、铝的8-10倍，且膨胀系数很低，所以将金刚石颗粒与金属(铝、铜、银等)复合制备成复合材料，可使其具备超高导热率(500W/m·K)、低膨胀系数(与芯片半导体材料GaAs、GaN等接近)的特性，特别适合用作高性能电子封装散热材料。金刚石/铝复合材料不但具有超高导热率、低膨胀系数的特点，且其密度(～3.2g/cm³)也远低于金刚石/铜(～5.5g/cm³)和金刚石/银(～6.1g/cm³)复合材料，因此更适合用于对重量有严格要求的航空航天、雷达及高端电子信息等领域。

在电子封装结构中，半导体芯片产生的热量通过薄片状金刚石/铝复合材料传导给散热底板，再扩散到外部环境，其中，复合材料的上下表面均需通过钎焊实现与芯片和散热底板的金属连接，以减小热阻、确保高效散热。在电子封装工艺中，最常用的焊料是金锡焊料(80wt％Au20wt％Sn)，因而通常要求焊接件表面作镀镍、镀金处理，其中镍作为过渡层，而最外的镀金层能确保焊料在其表面具有良好的润湿性和铺展性，防止虚焊、气孔等缺陷的形成。在金刚石/铝复合材料中，金刚石颗粒的体积分数高达50-65％，其表面由铝基体(表面有Al₂O₃膜)和金刚石颗粒构成(见图1)，可焊性差，必须作表面镀镍、镀金处理。由于在镍表面镀金可采用成熟的电镀金工艺实现，因此对金刚石/铝复合材料的表面处理工艺而言，最关键的是如何在金刚石和铝基体表面同时沉积均匀而致密的、具有良好界面结合力的镍层。

虽然采用气相沉积等工艺可以在金刚石/铝复合材料表面沉积一层镍，但工艺复杂、效率低、成本极高。电镀和化学镀是一种高效、低成本的材料表面处理工艺，但对金刚石/铝复合材料而言，由于金刚石不导电，只能采用化学镀镍工艺。由于铝表面有一层致密的Al₂O₃膜，加之铝非常活泼，在酸碱环境中不稳定，化学镀镍时极易在铝材表面形成疏松的接触性镀层，严重影响镀层与基体间的结合强度。另一方面，复合材料中铝基体表面裸露的金刚石具有很强的化学惰性，必须要通过合适的敏化和活化工艺才能实现镍离子的沉积，但该工艺又会对上述铝的镀镍过程造成严重干扰。综上所述，由于金刚石和铝的化学特性迥异，要采用化学镀工艺在两者表面同时沉积均匀而致密的、具有良好界面结合力的镍层存在很大的技术难度，迄今还没有发现有关金刚石/铝复合材料表面化学镀镍的公开文献报道。

中国专利号CN107287580A公开了“一种铝基复合材料的化学镀镍方法”，通过化学镀镍的方法解决现有的碳化硅颗粒增强铝基复合材料和高硅铝材料的表面处理技术中存在的实施成本高，应用范围较窄的问题。该工艺在镀覆SiC体积分数为55～65％的复合材料时，关键步骤是先采用浓度为15～25％的硫酸进行酸洗，去除铝的氧化膜，再进行化学镀镍，可获得铝基体与镍层的紧密结合。但对于金刚石/铝复合材料而言，由于金刚石具有很强的耐酸蚀性，加之缺少敏化、活化过程，该工艺难以实现镍层在金刚石颗粒表面的沉积。