[发明专利]一种金刚石-铝复合材料的磁控溅射镀膜方法

说明书

本发明涉及一种金刚石‑铝复合材料的磁控溅射镀膜方法。该磁控溅射镀膜方法的操作步骤如下：1.用砂纸研磨复合材料表面，之后将其放入无水乙醇中超声清洗干净；2.将样品放入超高真空磁控溅射设备中，先溅射一层金属铬，厚度为200～500nm，再溅射一层金属铜，厚度为1～2μm；3.进行镀后热处理，增加镀层与复合材料的界面结合强度。采用本发明的磁控溅射镀膜方法，可确保镀层与复合材料基体间的界面结合力强、界面热阻小，为常规的后续镀镍工艺带来方便，并可有效防止镀镍时复合材料与水接触所导致的性能衰退。镀镍后按照SJ20130‑92《金属镀层附着强度试验方法》中热震试验标准，在250℃以上热震循环10次后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-铝复合材料的磁控溅射镀膜方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，电子器件的集成度和功率密度越来越高，势必导致发热量的显著增加，从而增加元器件失效的几率。金刚石/铝是一种新型的复合材料，其热导率(500～600W/m·K)是传统钼铜散热材料的2～3倍，热膨胀系数与芯片半导体材料接近，且密度远低于钼铜，在电子封装领域显示了重要的应用前景。

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。在电子封装工艺中，最常用的焊料是金锡焊料，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。在金刚石-铝复合材料中，金刚石颗粒的体积分数高，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沉积均匀而致密的、具有良好界面结合力的镍层。

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。但采用化学镀镍工艺存在以下问题：①铝非常活泼，一方面在空气中能快速形成致密的氧化膜，另一方面，铝在镀液中会与多种离子发生置换反应，这极易在铝材表面形成疏松的接触性镀镍层，界面结合强度较差。②金刚石具有很强的化学惰性，必须通过特殊的敏化和活化工艺才能实现镍离子的沉积。要采用化学镀工艺在铝和金刚石表面同时沉积致密且界面结合力良好的镍层存在很大技术难度。③在金刚石-铝复合材料制备过程中，金刚石/铝的界面通常会生成反应物Al₄C₃，其遇水将发生潮解，因此对金刚石-铝复合材料采用化学镀镍工艺往往导致其热导率的衰退。

磁控溅射是另一种常用的材料表面处理工艺。采用磁控溅射镀膜，可防止金刚石-铝复合材料与水接触造成性能衰退。但该工艺不能用来直接对金刚石-铝复合材料进行表面镀镍，这是因为镍是非碳化物形成元素，镍/金刚石界面仅为物理结合，界面结合力很差。对用于电子封装散热的金刚石-铝复合材料而言，采用磁控溅射工艺镀膜，必须满足以下要求：①镀膜必须与铝基体和金刚石均能实现良好的界面结合。②镀膜的热阻较小(镀膜热导率较高，厚度薄)，不影响金刚石-铝复合材料的高导热特性。③该镀膜层必须方便后续的镀镍工艺，且与镀镍层能牢固结合，界面热阻小。

虽然单独在铝合金或金刚石表面进行磁控溅射镀膜的技术已较为成熟，但满足电子封装散热用金刚石-铝复合材料的磁控溅射镀膜工艺迄今未见文献报道。

发明内容

技术问题：本发明目的在于提供一种金刚石-铝复合材料的磁控溅射镀膜方法，其与基体的界面结合力强、界面热阻小，可为后续镀镍提供方便，并能解决金刚石-铝复合材料直接化学镀镍时界面结合力差和复合材料遇水热导率衰退等问题。所述金刚石-铝复合材料，金刚石体积含量为50～65％，铝为纯铝或铝硅合金。

技术方案：本发明提供了一种金刚石-铝复合材料的磁控溅射镀膜方法，该方法包括以下步骤：