[发明专利]高导热率、低热膨胀系数W-Cu复合粉体及其制备方法

说明书

本发明公开一种高导热率、低热膨胀系数W‑Cu复合粉体，热导率200‑235W/(m·K)，热膨胀系数(5.6‑9.3)×10^‑6/K。本发明还公开上述高导热率、低热膨胀系数W‑Cu复合粉体的制备方法，包括：采用湿化学法制得W‑Cu前驱体；将W‑Cu前驱体在氢气环境中热解还原；将还原后W‑Cu复合粉末压制成型，然后在氢气氛围下升温至1100‑1300℃，保温100‑140min，降温得到W‑Cu复合粉体。本发明旨采用湿化学法制备W‑Cu复合前驱体，通过不同的还原工艺组合获得烧结活性高的W‑Cu复合粉末，再通过后序液相烧结制得高致密度、高导热率、低热膨胀系数、组织分布均匀的W‑Cu复合粉体。

技术领域

本发明涉及集成电路封装材料技术领域，尤其涉及一种高导热率、低热膨胀系数W-Cu复合粉体的化学制备方法及其复合材料。

背景技术

在集成电路中，电子封装材料起着芯片保护、芯片支撑、芯片散热、芯片绝缘以及芯片与外电路连接的作用，这就要求封装材料具有优异的导电性、导热性，良好的化学惰性，低的热膨胀系数和高硬度等等。随着微电子技术的快速发展，集成电路正在逐渐高集成化和小型化，这意味着封装材料需要把热量及时地释放出去，并且具有较低的热膨胀系数，保证能与微电子器件中Si、GaAs等半导体器件具有良好的热匹配，从而避免了热应力引起的热疲劳失效，而传统封装材料已经不能满足这些要求。

钨-铜(W-Cu)复合材料结合钨(W)和铜(Cu)的各自优点，具有高强度、耐高温、耐电弧烧蚀、导电导热性能好和低的热膨胀系数等一系列优异的特性。因此，W-Cu复合材料在电子封装领域具备广阔的应用前景。组织分布均匀、特殊的W-Cu网络状结构以及W和Cu的成分调节能使得W-Cu复合材料具有高的导热率和低的热膨胀系数，满足电子封装领域的性能指标。

但由于W和Cu不互溶且润湿性差等特点，导致通过传统制备方法(如熔渗法、高温液相烧结)的W-Cu复合材料往往致密度低，组织不均匀等不足。机械合金化虽然能制备纳米级且粒度分布均匀的W-Cu复合粉体，但会产生严重的粉体团聚现象，并且在工艺过程中容易引入杂质，不利于材料的物理性能，更难以用于批量化生产。

发明内容

本发明旨在提供一种高导热率、低热膨胀系数W-Cu复合粉体的化学制备方法及其复合材料，采用湿化学法制备W-Cu复合前驱体，液液掺杂能使“W源”和“Cu源”达到原子级别的混合，通过不同的还原工艺组合获得W-Cu复合粉末，W-Cu复合粉末具有低氧含量、超细晶、粒度可控且分布均匀的特点，而且烧结活性高、能实现批量化生产，同时能够适用于金属注射成型或者3D打印工艺，再通过后序液相烧结制得高致密度、高导热率、低热膨胀系数、组织分布均匀的高导热率、低热膨胀系数W-Cu复合粉体。

本发明提出一种高导热率、低热膨胀系数W-Cu复合粉体的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：前驱体制备

分别将偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)和硝酸铜(Cu(NO₃)₂·3H₂O，Aladdin，纯度≥99.5％)溶解在去离子水中，加热搅拌得到混合溶液，等混合溶液透明后加入草酸(C₂H₂O₄·2H₂O，分析纯)，混合溶液搅拌蒸干后得到的沉淀物即为W-Cu前驱体。

在步骤1中，通过化学计量法，硝酸铜和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的31.29-120.70％、38-40％。

步骤2：分步氢气热解还原

将步骤1获得的块状前驱体在研钵中充分研磨得到细粉，将盛装有细粉的烧舟放入氢气(氢气纯度≥99.999％)还原炉中进行三步还原：首先将温度升至380-420℃，保温20-40min，使残留有机物充分分解及挥发；随后升温至550-650℃，保温50-70min；再升温至800-900℃，保温100-240min，最后降至室温。