[发明专利]低膨胀高导热铜‑不锈因瓦合金复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料，尤其是涉及一种低膨胀高导热铜-不锈因瓦合金复合材料及其制备方法。

背景技术

自1958年第一块半导体集成电路(IC)问世以来，集成电路封装技术不断向高度集成化、小型化和轻量化发展，这就对电子封装材料的性能提出了越来越高的要求(张臣，沈能珏，电子封装材料现状与发展[J]，新材料产业，2003，3：5-11)。随着芯片集成度和运算速度的不断提高，散热问题已经成为各种封装材料急需解决的重要问题。特别对于大功率器件，热量如果不能及时传导和散发，将导致工作温度升高，一旦芯片与封装材料之间的热膨胀系数不匹配，相邻部件及焊点处将产生热应力，导致焊点接触不牢甚至脱落，使电子元器件失效、严重影响产品的使用寿命和可靠性，因此，开发具备高导热、低膨胀系数、易加工和低成本的电子封装材料已成为当务之急(黄强，顾明元，电子封装材料的研究现状[J]，材料导报，2000，14(9)：28-32)。

在传统封装材料中，Cu及其合金因具有高的热导率和优良的导电性而备受关注。但是Cu的热膨胀系数非常高(17×10^-6K^-1)，与芯片用半导体材料(Si、GaAs)以及基片用陶瓷材料(Al₂O₃、BeO)的热膨胀系数(其范围在4～7×10^-6K^-1)不相匹配，容易导致芯片与封装基板结合面之间产生大的热应力，甚至产生裂纹而降低电子器件的使用寿命(Shen Y L，Metallurgical and Materials Transactions A，1994，25(4)：839-850)。

另一方面，不锈因瓦合金(Fe₃₇Co₅₄Cr₉)因具有极低的热膨胀系数和耐腐蚀性能而被广泛应用于电子封装领域。不锈因瓦合金是一种特殊的因瓦合金，在其居里温度以下出现所谓反常热膨胀现象，使材料的尺寸随温度的变化表现为几乎为零的膨胀率(即因瓦效应)，从而被广泛应用于电子工业、精密量具、精密仪表和低温工程等领域(陈昀，李明光，因瓦合金发展现状及应用前景[J]，机械研究与应用，2009，(4)：9-11)。虽然不锈因瓦合金在室温附近较宽的温度范围内具有很低的热膨胀系数和良好的焊接性能，但由于其导热能力很差，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。并且，不锈因瓦合金的热膨胀系数对化学成分非常敏感，成分的偏离将导致其热膨胀系数的增大，严重影响使用性能。比如同是退火态，钴含量也相同，只是一个含铁37％、含铬9％，另一个含铁36.5％、含铬9.5％，前者室温附近的热膨胀系数为-1.2×10^-6/℃，后者为0.05×10^-6/℃(Shiga M，Invar alloys[J]，1996，1(3)：340-348)。

由于铜或不锈因瓦合金都无法单独满足电子封装材料的要求，研究和开发复合材料引起了研究者的广泛关注。

美国德州仪器公司在传统因瓦合金(Fe₆₄Ni₃₆)板材上双层覆盖纯铜制成了Cu/因瓦合金(Fe₆₄Ni₃₆)/Cu层状复合材料(查尔斯A，哈珀，电子封装材料与工艺[M]，北京：化学工业出版社，2006)，其中复合材料的热膨胀系数为6.5×10^-6K^-1。值得注意的是，该复合材料在平行方向(x-y平面)的热导率为164W·m^-1·K^-1，但是在z平面上其热导率只有24.8W·m^-1·K^-1，即该类层状复合材料在热物理性能方面存在明显的各向异性，同时Cu与因瓦合金层之间存在显著的界面热阻，使得热导率的进一步提高受到制约，限制了它的使用范围。