专利名称：一种原位合成a1n/a1电子封装材料的方法
技术领域：
本发明属于电子封装材料技术领域，具体涉及一种原位合成A1N/A1电子封装材料的方法。
背景技术：
现在陶瓷在电子技术、计算机技术、空间技术、能源工程等新技术的发展中有着广 泛的应用。在某些应用领域，陶瓷材料的导热性是一项重要的考虑因素，尤其在作为半导体 元件绝缘基片使用的电子工业领域内更为突出。随着现代电子技术的飞速发展，要求整体 朝着微型化、轻型化、高集成度、高可靠性方向发展。同时，器件越来越复杂，又将导致基片 尺寸增大和集成度提高，使得基片功率耗散增加。因此，基片的散热以及材料的选择便成为 重要的课题。根据基片材料所服役的条件，要求用于集成电路的基片材料在电、热、力学、化学 等方面具有良好的性能。在电性能方面应该具有绝缘电阻高、耐高压、介电常数小、介电损 耗低等特点；在热性能方面应具有一定的强度，能起支撑作用；在化学应用方面应该具有 良好的稳定性，不吸潮性。此外，尺寸精度、厚膜金属化也应满足要求、制造方面除了低成本 夕卜，必须考虑到工艺的再现性好、可靠性高、易管理、原料丰富、没有公害和毒性等。而金属 材料和有机材料很难满足上述要求，只有某些复合陶瓷材料才可以考虑。复合陶瓷材料由于其高的电绝缘性能，低的介电常数和低的介电损耗，具有和元 件相近的热膨胀系数，很高的化学稳定性和较好的热导率，还具有良好的综合性能，从而广 泛应用于电子器件及电路。目前，Al2O3是应用最成熟的陶瓷散热基片材料，但其相对较低 的热导率，大于硅单晶的介电常数和热膨胀系数，使其在大规模特别是超大规模集成电路 中的运用受到了限制。AlN具有高的热导率(实际值可达ZSOw.nT1.!^)，是Al2O3的8 10 倍，且体积电阻率、击穿强度、介电损耗等电气性能可与Al2O3相媲美，还具有高的强度(约 为Al2O3的两倍)与良好的机械加工性能，其热膨胀系数与Si极为相近，可进行多层布线， 被视为新一代很有发展前途。由于AlN复合陶瓷材料不但可以满足热力学性能要求而且具 有较好的综合性能，受到了越来越多的关注。但由于AlN原料粉价格高且烧结成本高，限制了 AlN陶瓷材料的实际应用。陶瓷 材料添加金属可有效地改善陶瓷的韧性、热导率及烧结性能而不影响其物理性能。由于Al 与AlN不润湿的特性，采用原位合成方法解决其界面连接问题并提高AlN的烧结性能，降低
烧结温度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种原位合成 A1N/A1电子封装材料的方法。该制备方法简单，烧结温度较低，所制备的A1N/A1复合材料 的热物理性能可在较宽范围内调节，能够满足电子封装要求。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种原位合成A1N/A1电子封装材料的方法，其特征在于，合成过程为将摩尔比为3 6 1的A1粉和NH4C1粉均勻混合 后，先在20 30MPa压力下模压成型，再在200 400MPa压力下冷等静压成型，将冷等静 压成型后的生坯放入石墨模具中，随后放入热压烧结炉中，预抽真空至0. 05Pa后关闭热压 烧结炉的真空阀，通入氮气使热压烧结炉内气压回升至常压，升温至700 1000°C烧结，烧 结过程中施加20 40MPa的压力，保温60 120分钟，随炉冷却后即制成A1N/A1复合材 料。所述A1粉的质量纯度为99. 8%，NH4C1粉的质量纯度为99. 9%，所述氮气的体积
纯度> 99.8%。所述A1N/A1复合材料的致密度为98 99. 4%，热导率为190w. nT1. k"1 210w. nT1. k—1，热膨胀系数为 5.8X10^ 6. 2X lO—K—1。所述A1N/A1复合材料中A1N的体积分数为60 85%。本发明与现有技术相比具有以下优点1、所制备的A1N/A1复合材料中A1N为原位合成，与金属A1具有很好的界面结合。2、原料来源广、价格便宜，A1N的体积分数可以通过NH4C1的添加量来控制。3、本发明所制备的A1N/A1电子封装材料的热导率高，热膨胀系数与Si接近，完全 能够满足电子封装的要求。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明制备的A1N/A1复合材料的XRD图谱。图中e为衍射角，单位为度。
具体实施例方式实施例1将摩尔比为3 1的A1粉和NH4C1粉混合均勻后，放入直径为40mm的圆柱形钢制 模具中，在25MPa的压力下压制成厚度为6mm的坯体，随后放入冷等静压设备中，在400MPa 压力下保压2分钟。将冷等静压成型后的坯体放入石墨模具中，随后放入热压烧结炉中，热 压烧结炉预抽真空至0. 05Pa，然后关闭热压烧结炉上的真空阀，热压烧结炉充入氮气使热 压烧结炉内气压回升至常压，以40°C /min的升温速率升温1000°C，保温60分钟，在烧结过 程中施30MPa的压力。随炉冷却后，取出所制备的A1N/A1复合材料，进行性能测试。该实 施例所制备的A1N/A1复合材料的致密度为99. 4%, A1N/A1复合材料中A1N的体积分数为 85%, A1N/A1复合材料的热导率为190w. nT1. k—1，热膨胀系数为5. 8X lO—IT1。实施例2 将摩尔比为6 1的A1粉和NH4C1粉混合均勻后，放入直径为40mm的圆柱形钢制 模具中，在20MPa的压力下压制成厚度为6mm的坯体，随后放入冷等静压设备中，在299MPa 压力下保压2分钟。将冷等静压成型后的坯体放入石墨模具中，随后放入热压烧结炉中，热 压烧结炉预抽真空至0. 05Pa，然后关闭热压烧结炉上的真空阀，热压烧结炉充入氮气使热 压烧结炉内气压回升至常压，以40°C /min的升温速率升温至700°C，保温60分钟，在烧结 过程中施加20MPa的压力。随炉冷却后，取出所制备的A1N/A1复合材料，进行性能测试。该
4实施例所制备的A1N/A1复合材料的致密度为98%，A1N/A1复合材料中AlN的体积分数为 60%,A1N/A1复合材料的热导率为210w. πΓ1. k—1，热膨胀系数为6. 2X ΙΟ Λ实施例3将摩尔比为5 1的Al粉和NH4Cl粉混合均勻后，放入直径为40mm的圆柱形钢制 模具中，在20MPa的压力下压制成厚度为6mm的坯体，随后放入冷等静压设备中，在299MPa 压力下保压2分钟。将冷等静压成型后的坯体放入石墨模具中，随后放入热压烧结炉中，热 压烧结炉预抽真空至0. 05Pa，然后关闭热压烧结炉上的真空阀，热压烧结炉充入氮气使热 压烧结炉内气压回升至常压，以40°C /min的升温速率升温至800°C，保温70分钟，在烧结 过程中施加25MPa的压力。随炉冷却后，取出所制备的A1N/A1复合材料，进行性能测试。该 实施例所制备的A1N/A1复合材料的致密度为98. 5%, A1N/A1复合材料中AlN的体积分数 为70%，A1N/A1复合材料的热导率为202w. πΓ1. k—1，热膨胀系数为6. OX Ι ^ΙΓ1。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方 案的保护范围内。
权利要求
一种原位合成AlN/Al电子封装材料的方法，其特征在于，合成过程为将摩尔比为3～6∶1的Al粉和NH4Cl粉均匀混合后，先在20～30MPa压力下模压成型，再在200～400MPa压力下冷等静压成型，将冷等静压成型后的生坯放入石墨模具中，随后放入热压烧结炉中，预抽真空至0.05Pa后关闭热压烧结炉的真空阀，通入氮气使热压烧结炉内气压回升至常压，升温700～1000℃烧结，烧结过程中施加20～40MPa的压力，保温60～120分钟，随炉冷却后即制成AlN/Al复合材料。
2.按照权利要求1所述的一种原位合成A1N/A1电子封装材料的方法，其特征在于 所述A1粉的质量纯度为99.8%，NH4C1粉的质量纯度为99.9%，所述氮气的体积纯度 ^ 99. 8%。
3.按照权利要求1所述的一种原位合成A1N/A1电子封装材料的方法，其特征在于所 述A1N/A1复合材料的致密度为98 99. 4%，热导率为190w. m—1. k-1 210w. m—1. k-1，热膨 胀系数为5.8X10^ 6. 2X10^0
4.按照权利要求1所述的一种原位合成A1N/A1电子封装材料的方法，其特征在于所 述A1N/A1复合材料中A1N的体积分数为60 85%。
全文摘要
本发明公开了一种原位合成AlN/Al电子封装材料的方法，将一定摩尔比的Al粉和NH4Cl均匀混合后，在20～30MPa压力下模压成型，再在200～400MPa压力下冷等静压成型，将干压成型后的生坯放入热压烧结炉中，预抽真空后关闭热压烧结炉的真空阀，通入N2使炉内气压回升到常压，在700～1000℃的温度下烧结制成AlN/Al复合材料。本发明的优点为本发明所制备的AlN/Al复合材料中AlN为原位合成，与金属Al具有很好的界面结合；原料来源广、价格便宜，AlN的体积分数可以通过NH4Cl的添加量来控制；所制备的AlN/Al复合材料的热导率高，热膨胀系数与Si接近，完全能够满足电子封装的要求。
文档编号B22F3/16GK101829784SQ20101014792
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者朱明 , 杜双明, 王志华, 王明静, 王晓刚, 陈伟 申请人:西安科技大学