[发明专利]电子封装用金刚石/铜热沉材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种电子封装用金刚石/铜热沉材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。该热沉材料由改性金刚石、铜和添加元素组成，添加元素为银、锡或铟锡中的一种或多种，按照质量百分比计，改性金刚石的含量为30％‑60％，余量为铜和添加元素，添加元素的含量为铜含量的5％‑10％。其制备方法包括粉末混合、调膏及放电等离子烧结等步骤。本发明通过添加银、锡或铟锡合金等降熔元素，有效改善了金刚石/铜复合材料的界面结合，解决了金刚石改性后界面热阻增大的问题，同时避免了高温烧结过程中金刚石发生石墨化，提高和保证了金刚石/铜热沉材料的界面结合强度和导热性能。本发明方法具有操作简单、成本低的特点，适合规模化应用。

技术领域

本发明涉及一种电子封装用金刚石/铜热沉材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

随着电子技术的飞速发展和应用范围的日益扩大，集成电路朝着小型化、高速化、高密度、高可靠、大功率、耐恶劣环境、长寿命等方向发展。芯片及大功率电子元件的极大功能化、尺寸微小、多尺寸结构、多功能材料，使其成为非均匀、高度集中的体热源，对集成电路提出了前所未有的挑战，开发高导热、热膨胀系数匹配的封装材料成为亟待解决的问题。

常见的金属材料如Cu、Al，虽然热导率高达398W/(m·k)，但其热膨胀系数与Si或GaAs等基片材料相差较大，器件工作时会产生较大的应力，引起芯片和散热基片上某些焊点、焊缝的开裂。而金刚石的热导率高达2200W/(m·k)，热膨胀系数约为0.8×10^-6/K，与铜复合后一方面可显著提高铜复合材料的热导率，另一方面可通过调整金刚石与铜的配比实现热膨胀系数可调，且具有表面可镀覆性好等优点，成为电子封装用新一代热沉材料研究的热点。

然而，金刚石与铜的润湿性能较差，成为金刚石/铜热沉材料制备的难点之一。目前多采用金刚石表面改性的方法来提高其润湿性能，但改性的同时存在界面热阻增加问题，影响金刚石/铜热沉材料的热导率和热膨胀系数。此外，金刚石/铜热沉材料的制备多采用高温高压工艺，而金刚石是亚稳相，高温下便自发转化为石墨，金刚石转化为石墨将使得复合材料的导热性受到严重影响；且高温高压条件对设备要求较高，能耗较大，限制了其批量生产，不利于产业化应用。

发明内容

本发明的目的是解决金刚石改性后界面热阻增大以及金刚石石墨化带来的与铜之间的结合强度低、导热性差的问题，提供一种新型的高导热金刚石/铜热沉材料及其制备方法。本发明的金刚石/铜热沉材料具有高热导率、低热膨胀系数，符合电子封装行业的高散热应用需求。

本发明采用放电等离子烧结技术，通过向金刚石、铜中添加银、锡、铟等降熔及高导热元素，利用银、锡、铟等元素与铜及金刚石表面镀层之间的相互扩散及固溶能力，提高界面结合力，降低烧结温度的同时防止金刚石石墨化，从而提高金刚石/铜热沉材料的导热性能。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种电子封装用金刚石/铜热沉材料，该热沉材料由改性金刚石、铜和添加元素等多种材料复合而成，所述的添加元素为银、锡或铟锡中的一种或多种，按照质量百分比计，改性金刚石的含量为30％-60％，余量为铜和添加元素，其中，添加元素的含量为铜含量的5％-10％。

进一步地，所述的改性金刚石为镀铬、钼、钨或钛的金刚石颗粒，镀层厚度为1～3μm。

上述电子封装用高导热金刚石/铜热沉材料的密度为5.5～6.5g/cm³，热导率≧500W/m·K，热膨胀系数为(6.5～8.0)×10^-6K。

一种电子封装用金刚石/铜热沉材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)粉末混合：将重量百分比为30％-60％的改性金刚石颗粒，70％-40％的铜粉和添加元素粉末混合，其中添加元素粉末含量为铜粉含量的5-10％，所述的添加元素粉末为银粉、锡粉或铟锡粉中的一种或多种，然后在行星式球磨机中进行球磨处理，得到混合粉末；