专利名称：一种导热材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种导热复合材料，该材料由金刚石颗粒混合物制成，包含金刚石颗粒，碳化硅和硅或者硅合金。
背景技术：
具有高热导率的材料广泛应用在诸如散热器和热交换器等的热交换器件中，典型的由具有高热导率的金属组成，如铝，铜和银，这些金属的热导率分别为120-220W/mK，400W/mK和430W/mK。银是相当昂贵的，达不到与铜相同的应用范围。铜的应用具有一些缺陷。一是相当高的密度(8.9g/cm3)使得用铜的器件重量大。铜的高密度也会导致数值相当低的热扩散率α＝1.2cm2/s(α＝λ/Cp*ρ，这里α是热扩散系数，λ是热传导系数，Cp是热容，ρ是密度)。低的热扩散率限制了铜在那些不需快速热传递的制品中的应用。另一个缺陷是铜的氧化倾向。在热交换器件表面形成的铜氧化物会显著降低整个器件的热性能。再一个缺陷是，相对于集成电路中所用的材料，铜具有高的热膨胀系数，如果铜被用作散热器材料，在电路与散热器之间的结合处，这种热膨胀系数的不同会导致张力及破裂危险的产生。铝的缺陷是其热导率中等而热膨胀系数高。
在电子工业中，随着更快速更小型电路的发展，出现了对更好的散热器的需求。目前，生热元件已能更紧凑的封装。因而，热传递必须更有效，局部热区的多余热量需要迅速传导走。对散热器材料的基本要求是高热导率，与硅相近的热膨胀系数以及低比重(参见MRSBulletin，第26卷，第6期，2001年6月)。此时金刚石便呈现出其是选择用于散热器的显而易见的材料。
已知金刚石具有好的热导性能(500-2000W/mK)，如果不是因为成本以及难以加工成合适的形状，金刚石应早已成为用于散热器的理想材料。许多的散热器仍然采用了金刚石。金刚石的应用有不同的方式如只是金刚石晶体，CVD金刚石涂层和金刚石复合材料。
US专利No.6031285(Sumitomo)公开了一种用于半导体的散热器，其结构包含由选自Cu，Ag，Au，Al，Mg和Zn中至少一种金属构成的金属(A)；由用选自周期表4a及5a族和铬中的至少一种金属构成的金属(B)制成的碳化物(B’)；和占多数的金刚石颗粒。该散热器的结构是，其中独立的金刚石颗粒超过四分之一的表面被金属碳化物(B’)所覆盖，这些被金属碳化物(B’)覆盖的金刚石颗粒彼此由金属(A)隔开。热量传递由金刚石到金属(A)。其热导性能为230-730W/mK，当金属A由Ag，Cu和Mg构成时获得最小值，当金属A由大部分的Ag和少量的Cu构成时获得最大值。这个发明的缺陷在于当使用Al，Mg和Zn时的低热导性能及当使用Ag和Au时的成本。
US专利No.6171691(Sumitomo)公开了这样一种材料，其中金刚石颗粒由金属碳化物包围，金属碳化物和金刚石构成骨架，骨架间的间隙由金属填充。首先，将含有少量碳化物生成体(former)的金属合金渗透到放在模具里的金刚石之间。碳化物生成体与金刚石反应在金刚石表面形成碳化物。碳化物与金刚石一起形成一种相连的结构。“载体”金属合金要么在被碳化物覆盖的金刚石之间凝固，要么就蒸发掉。接下来，再将第二种金属合金渗透到这种多孔体的自由空间中。然后，将该物体从模具中取出。金属是Ag，Cu，Au和Al中的至少一种，碳化物生成体是Ti，Zr和Hf中的至少一种。热量由金刚石经由碳化物传递给金属。热导性能为300-900W/mK。这种材料的缺陷是复杂的工艺和产品的高成本。
US专利No.6031285和No.6171691都披露，没有使用碳化物生成体作为唯一的填充组元，原因是碳化物生成体组元本身具有低的热导率，这将使得所发明材料整体的热导率下降。
US专利No.5783316(University of California Oakland)公开了一种金刚石-铜-银复合材料。该材料由用铜或者铜合金联结的金刚石颗粒构成。该材料的热导率在金刚石颗粒的热导率和铜的热导率之间。为了使铜合金与金刚石颗粒之间获得更好的粘附性，在后者表面覆盖一可生成碳化物的金属的薄层。该种材料的缺陷在于由铜引起的相当高的密度及高的热线膨胀系数，这也是由铜决定的。这种高热膨胀导致制品在高温下产生很大的变形。而且与纯铜本身一样，该材料也不抗氧化。
有许多的专利都公开了其预想应用基本上不是热交换的金刚石复合材料，这类材料的主要应用领域是切割和磨损部件。有些专利揭示了使用高压方法制造含有金刚石，碳化硅和硅的材料的技术。
US专利No.4151686公开了一种高压高温方法，其中，为了保持在金刚石相图中1300-1600℃的稳定域，在烧结步骤中使用了高压，烧结在压力为30000-60000atm的高压室内进行。为达到所需的非常高的压力，只能使用特制的压机和模具。结果是生产成本高，产量有限，同时限制了金刚石复合体的形状和尺寸。根据US 4151686所授制备的材料包含至少80vol.％到最高90vol.％的金刚石，含有大量的金刚石-金刚石的结合。金刚石的高含量使得该材料很硬但也很脆，而且对机械震动敏感。
另一种由高压高温的方法制造的材料是来自De Beers的Syndax3。这是一种用于磨损的材料，例如钻岩。该材料由烧结在一起的金刚石颗粒和碳化硅构成。根据The Industrial Diamond Review1985年第6期，Syndax3材料具有金刚石-金刚石接触。也许有人认为这种金刚石-金刚石接触将对热导性能有利。尽管如此。根据我们的检测，Syndax3显示的热扩散系数不超过1.442cm2/s，热导率不大于265W/mK。
有些专利揭示了不用高压来制造含有金刚石，碳化硅和硅的材料的方法。有大量的不同工艺，主要涉及到应用不同的含碳材料(此后指各种非金刚石的碳材料如碳黑，碳纤维，焦炭，石墨，热解碳等)。大体上依照下述步骤。
A.将未涂层金刚石颗粒或者一般的碳涂层金刚石颗粒和含碳材料作为前驱体材料。根据US专利4220455中的例子，始于在金刚石表面通过热解反应附加一个碳的薄层(500-1000埃)。真空条件下，通过在1200℃向装有金刚石颗粒的炉内供给天然气或者甲烷，热解在几分钟内完成。有时，像在US专利4381271，EPO0043541，EPO0056596和JP6-199571A那样，也采用没有热解碳层的金刚石。在成型生坯之前，将涂层和未涂层的金刚石与含碳材料如碳黑，短碳纤维或布，及粘结剂等相混合作为主要碳源。
B.将金刚石颗粒/碳材料混合物在模具中成型生坯。生坯中含有促进成型并提高坯体强度的附加溶剂和临时的或者永久的粘结剂。
C.对生坯进行热处理以形成工件(work-piece)。一些粘结剂蒸发后没有任何残余物如石蜡，其它的粘结剂凝固并在工件中留下含碳残余物，如酚醛树脂和环氧树脂。
D.将熔融硅渗透到多孔工件之中，使碳与硅之间发生反应而形成碳化硅。热处理采用的是使被认为有害的，使金刚石石墨化最小的方式。在US专利4220455的例子中，当坯体在模具中时，在真空中，1400-1550℃下，将硅渗透15分钟，在此过程中，硅与碳之间完成反应。US专利4242106在渗透中采用的真空为0.01-2.0torr。主要依赖于坯体尺寸的所需时间要由经验确定，在超过1400℃的温度下大约需要15-20分钟，或者在1500℃下需要10分钟。US专利4381271用碳纤维通过毛细管作用来促进液态硅的渗透。在大多数的专利中，渗透都是在模具中进行。在一些早期的专利中，渗透是在模具外进行的，如在EPO专利0043541中。
在上述制造金刚石-碳化硅-硅复合材料的方法中，没有一个是有目的的利用了石墨化。
在RU专利2036779中，一种预成形体由金刚石粉体，可能与水或者乙醇一起注模而成。将该预成形体放入炉子中，在1420-1700℃，在氩气或者真空条件下浸渍液态硅。在该方法中，金刚石晶粒表面进行最少的石墨化，使金刚石的大部分仍然没有变化。这些少量的石墨与渗入的硅接触而发生反应，生成一个碳化硅的薄表面，其阻止在所用方法中金刚石向石墨的任何进一步的转化。该方法的缺陷在于难控性及没有控制生成碳化硅数量的方法，在复合材料中会留下残余的硅或残余的气孔。
在WO99/12866和WO00/18702中，公开了制造金刚石-SiC-Si复合材料的方法。所制复合材料由金刚石颗粒在SiC和硅或者硅合金的基体中按如下比率构成金刚石颗粒至少20vol.％，SiC至少5vol.％。该复合材料具有优良的性能组合，如低密度，高弹性模量，低热膨胀系数并抗氧化。然而该材料的热导率不是足够的高，不能满足电子工业中更好性能散热器的需求。
本发明的目的就是提供一种在室温下热导率系数至少为400W/mK，且热扩散率至少为2.1cm2/s的材料，该材料能够按照所需形状用成本有效的方法来进行制造。
发明内容
依据本发明，这一目是由一种导热复合材料实现，该材料用金刚石颗粒混合物制造并包含金刚石颗粒，碳化硅和硅或者硅合金，碳化硅形成一个互联的骨架结构，将每个独立的金刚石颗粒包围，硅或者硅合金填充在碳化硅骨架的空隙中，相变(transformed)的的金刚石是该材料中的唯一碳源，其中该传导材料的金刚石含量至少为58vol.％且至多为81vol.％，碳化硅含量至少为3vol.％且至多为39vol.％，硅或者硅合金的含量至多为41vol.％，且金刚石颗粒由不同颗粒尺寸的至少两部分组成，在制成传导材料的金刚石颗粒混合物中，至少50w％的颗粒的直径在80μm或者以上，由此该传导材料具有至少为2.1cm2/s的热扩散率和至少为400W/mK的热导率。
在一个优选的实施方案中，在具有最大直径的金刚石部分中，氮含量为300ppm或更低，热导率至少为430W/mK。
在另一个优选的实施方案中，在具有最大直径的金刚石部分中，氮含量为130ppm或更低，热导率至少为490W/mK。
在一个进一步优选的实施方案中，在具有最大直径的金刚石部分中，氮含量为80ppm或更低，热导率至少为550W/mK。
还是在另一个优选的实施方案中，硅合金包括来自由Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Mn，Re，Fe，Co，Ni，Cu，Ag，Al，Ge构成的组中的至少一种金属；在该材料中可以包含少量金属-碳化合物，所述金属-碳化合物含有来自由Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Mn，Re，Fe，Co，Ni，Cu，Ag，Al，Ge构成的组中的至少一种金属。在该实施方案中，在具有最大直径的金刚石部分内，氮含量优选的为100ppm或更低，热导率至少为500W/mK。
附图简述现将参照图示来对本发明进行描述，其中
图1显示的是依据本发明的一个实施方案的材料断裂后的截面SEM照片。
图2显示的是依据本发明的另一个实施方案的材料断裂后的更大倍数的截面SEM照片。
实施方案描述本发明材料是根据WO99/12866和WO00/18702中的方法制造的。这些方法包括如下步骤1.用含有金刚石颗粒的混合物制成多孔工件。
2.对工件进行热处理，控制加热温度和加热时间使得通过金刚石颗粒石墨化来获得所期望的特定数量的石墨，由此生成一种中间体。
3.将熔融硅或者，可选择的，硅合金渗透到中间体中。
4.使熔融硅和石墨发生反应生成SiC。
通过上述制造方法，即可制得具有预定形状的制品。在从制造工件一直到制成成品的过程中，没有发生宏观尺度上的收缩，膨胀和翘曲。方法的进一步细节参考如上提及的公开文本WO99/12866和WO00/18702，这里将二者的内容引入。
接下来；生坯密度＝生坯重量/生坯体积，相对生坯密度＝生坯密度/金刚石理论密度，以及气孔率＝1-相对生坯密度由含最小尺寸为6μm的金刚石颗粒的混合物制成工件；制成的工件的相对生坯密度至少为60％。金刚石混合物由不同金刚石颗粒尺寸的至少两种不同的部分组成。工件中的金刚石含量中至少有50wt.％的量，其直径应该在80μm或以上。使用具有不同金刚石颗粒尺寸的至少两种不同部分是必需的，以在工件中达到足够的堆积程度，从而在烧结致密化时产生足够高的金刚石密集度(也就是在金刚石间声子传播的短路径)，从而达到所需水平的热扩散率和热导率。工件中的金刚石含量至少为95wt.％，即可以使用少量的粘结剂。
工件可以使用常规设备通过如下所知的方法来制备，如压力流延，注浆或者凝浇注。
金刚石体热处理的总持续时间应可以让坯体中金刚石质量减少所需的数量，这是金刚石颗粒石墨化造成的。热处理的一个例子是在真空或者惰性气氛中，将工件加热到1000-1900℃之间的温度。
熔融硅或者硅合金的渗透通过如下众所周知的方法进行在工件表面熔融一固态料，将已熔融的硅或者硅合金注到工件的表面，或将工件浸渍入熔融硅或硅合金中。当熔融物渗入工件中时，它与石墨反应并生成SiC或含有来自合金元素中的元素的SiC相。生成的碳化硅相和少量未反应的硅或硅合金相填充在工件的多孔空间中。
热处理和渗透可以方便地在同一炉子中进行。
所用渗透熔融物可以是含有来自由Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Mn，Re，Fe，Co，Ni，Cu，Ag，Al或Ge构成的组中的至少一种金属的硅合金。在这种情况下，可能形成少量的第二相化合物，如金属硅化物，金属碳化物等。
这样，烧结后的复合材料就由三个主相构成，金刚石相，包围在金刚石颗粒外的碳化硅相和在碳化硅区域之间的未反应的硅或硅合金相。图1所示的是依据本发明的一个实施方案，按如上所述的方法制造的一种材料的典型截面，通过扫描电子显微镜的背散射电子观测所得的概观图。深色颗粒是金刚石，灰的骨架是SiC，白斑是硅区。初始组成是75wt.％D8(150μm)+20wt.％D31(20μm)+5wt.％D32(7μm)，这里符号D8，D31和D32是所用不同金刚石的简称，所用的不同平均颗粒尺寸在括号中标出。由石墨化的金刚石和熔融物之间反应生成的碳化硅涂覆并包围每个独立的金刚石颗粒。SiC相形成一种包围金刚石颗粒的互联骨架结构。图2所示的是进一步放大的依据本发明的材料的第二种实施方案所得到的典型截面图，该材料含有200-250μm的金刚石(最大颗粒直径)，显示了金刚石和金刚石外围的SiC之间的紧密结合。在该复合材料中实际上没有金刚石-金刚石的接触。由于SiC的热膨胀系数比金刚石的热膨胀系数要大，在热处理结束之后的冷却过程中，SiC就比金刚石颗粒更趋向于收缩。在低于SiC生成温度的温度，包围在独立金刚石颗粒外的SiC将对每一颗粒施加压力。在某些程度上，认为这对本发明所得材料所具有的惊人的优良热导率作出了贡献。硅-或未反应的硅合金与可能的少量的第二相化合物如金属碳化物，金属硅化物等一起位于碳化硅之间的区域中，所述碳化硅包覆着金刚石颗粒。烧结后的复合材料按如下比率含有所述各相金刚石58-81vol.％，Si或Si合金最大39vol.％及SiC3-41vol.％。
金刚石含量的限度已由经验确定。成品中的金刚石含量低于58vol.％时，表现出很低的热导率。高于79vol.％的金刚石含量，用所用的制造技术很难制得。而且，金刚石含量大于79v0l.％时，在熔融物的渗透过程中会产生问题，使得整个工件不能完全被熔融物填充，导致最终复合材料的性能(热性能和机械性能)变坏。然而，用特殊的制造技术和合适的压力助渗技术，成品中的金刚石含量可以略有增加，可以获得81vol.％的金刚石含量。
对复合材料来讲，要获得高数值的热导率，关键是在不同相之间要有好的粘附性，参见工业金刚石与金刚石薄膜手册(Handbook ofindustrial diamonds and diamond films)，第184页。金刚石颗粒表面形成的石墨层与金刚石之间具有非常好的粘附性，因为石墨是相变的金刚石。当硅熔融物与上述石墨发生反应时，生成的碳化硅继承了这种与金刚石间的好的粘附性，并在碳化物与金刚石之间形成很强的结合。当碳化硅在由金刚石石墨化而形成的石墨表面成核时，生成的碳化硅就会外延生长，即，碳化硅在金刚石上依照金刚石的晶体学取向生长。对依据本发明的材料来讲，碳化硅的生成方式及金刚石颗粒与其外围碳化硅之间的强结合相信是其获得惊人的高热导率的决定因素。在本发明所得材料中，声子传播有很长的自由程。表3表明采用其它完全相同初始组分，热导率依赖于材料中用以生成碳化硅的碳是如何提供的。
为了获得最大水平的热扩散率和热导率，必须使原料，金刚石和硅具有好的质量。例如，重要的金刚石质量参数的例子是低的钴，镍和氮的体积水平。众所周知，低水平的氮可以得到好的热导率。大尺寸的金刚石颗粒中氮的含量是300ppm或者更低是一个有利条件，优选的在100ppm及更低。当氮含量在80ppm及更低的情况下，可以获得很高的热导率。
金刚石表面石墨化对由于机械加工如压碎，过筛引起的在金刚石颗粒上的物理表面缺陷有积极的作用。石墨化改变了金刚石表面的缺陷层，结果改善了声子的传播路径。
我们已经惊奇的发现为获得好的热导率，并不需要金刚石之间直接结合。而获得高质量的声子传播路径才是更基本的。这在下面给出的例子中得到了阐释。
在表1和2中，列出了许多不同相组成的热扩散率和热导率。表1强调了所述金刚石的水平，表2则注重金刚石颗粒的尺寸。符号D1和D2等是所用的不同金刚石的简称，平均颗粒尺寸在括号中标出。
表1和表2给出的烧结后的样品的相组成是计算值。使用了如下4个方程。
φD＝(1-ε0)(1-α)φSiC＝(1-ε0)(MSiC*ρD/MC*ρSiC)αφSi＝1-(φD+φSiC)α＝(ρScD+1.18*ε0-3.51)/(2.03(1-ε0))这里ε0是起始气孔率，ρScD，ρD和ρSiC是烧结后的复合材料，金刚石和碳化硅的密度，MSiC和MC是碳化硅和碳的分子质量，最后α是石墨化程度。
表1
表2
本发明的材料的热膨胀率在1.8*10-6至2.3*10-6K-1之间，这是非常低水平的热膨胀，能很好的与集成电路板的热膨胀率相对应。
正如早先所述，为获得高水平的热导率，碳化物碳源的生成起着重要作用。为量化这一现象，进行了一系列实验。碳被加入到工件中或者在工件中以三种不同的方式生成，然后将硅熔融物渗透到工件中，检测烧结后的复合材料的热扩散率。用来制造工件的金刚石混合物是完全相同的，用样本组成A代表。为生成碳化物而提供的碳源是金刚石的石墨化，工件中的高温碳(pyrocarbon)的沉积，以及与制成工件的金刚石粉末共同混合的碳粉末。实验设置与结果如表3中所示。
表3
非常清楚的表明，没有提供外部碳源的样本A具有最高的热扩散率。这样，通过对断面进行SEM图像分析确定样本的相组成，进而可以计算传导率水平。
在四组不同样本中，相组成有一些变化。导致最终制品中的这些差异的原因是难以使用不同的制造过程获得完全相同的最终组成。当加入外部碳源时(B；C；D)，最终样品中的硅的残余量比(A)中的10％有减少。当加入高温碳时(B；C)，这种现象更加明显，可见的硅不足1％。接下来，尽管生成的碳化硅增加了，但总的相转变导致用来计算不同样品热导率水平的Cp值有适中的差别，参见表3。
上述差异并不是足够的大，以致不能解释当外部碳源加入时所测得的热扩散率的巨大不同。从金刚石得到碳，形成延伸到复合材料骨架结构中的环绕SiC层的重要性在于为声子传播提供了一种最佳的格构机制。表3表明，碳源的来源对热扩散率有巨大影响。依照本发明制造的复合材料，最终热导率水平超过了金属的热导率，铜是最好的金属中的一个，其λ＝400W/mK，α＝1.16cm2/s。
热扩散率采用激光闪光技术来进行测定。圆样品片的上表面用激光照射，提供一种瞬时的能量脉冲。激光的能量被上表面吸收并通过样品传播。在激光闪光发射之后，后表面的温度立即通过热辐射来进行监测，用一个光伏红外探测器探测热辐射。激光脉冲使样品的温度仅仅升高几度。热扩散率(α)利用样品厚度(L)和后表面温度达到总升高温度的一半时所用的时间(t1/2)，用方程α＝kL2/t1/2来进行计算，这里k是常数。所用的激光闪光设备是一台装有振动波长为1.064μm的钕玻璃激光器的ULVAC Sinku-Riko TC-700/Melt和一个用液氮冷却的锑化铟IR探测器。样品形状是直径10mm的圆片，厚度为4-5mm。测量在室温下进行，脉冲宽度为0.88ms，脉冲持续时间为0.3ms，脉冲直径15mm，脉冲能量为15J/脉冲，电压为2.4kV。
然后，用方程α＝λ/Cpρ计算热导率λ，这里Cp是热容，ρ是密度。热容Cp根据Cp＝∑(ρiφiCi)/ρScD来计算，这里ρScD是烧结后的复合材料的密度，ρi是每相的密度，φi是每相的体积分数，Ci是每相的热容。
权利要求
1.一种导热复合材料，该导热复合材料由金刚石颗粒混合物制成，并含有金刚石颗粒，碳化硅和硅或者硅合金，所述碳化硅形成一种互联骨架结构，该结构包围在每个独立的金刚石颗粒周围，且所述硅或者硅合金填充在碳化硅骨架间的间隙中，相变的的金刚石是该材料中的唯一碳源，其中所述传导材料具有的金刚石含量至少为58vol.％且至多为81vol.％，碳化硅含量至少为3vol.％且至多为39vol.％，硅或者硅合金的含量至多为41vol.％，并且金刚石颗粒由具有不同颗粒尺寸的至少两部分组成，在制成传导材料的金刚石颗粒混合物中，至少50w％的颗粒的直径为80μm或者更大，由此该传导材料具有至少为2.1cm2/s的热扩散率和至少为400W/mK的热导率。
2.权利要求1中的导热材料，在具有最大直径的金刚石部分中，氮含量为300ppm或更低，且热导率至少为430W/mK。
3.权利要求2中的导热材料，在具有最大直径的金刚石部分中，氮含量为130ppm或更低，且热导率至少为490W/mK。
4.权利要求3中的导热材料，在具有最大直径的金刚石部分，氮含量为80ppm或更低，且热导率至少为550W/mK。
5.权利要求1中的导热材料，其中硅合金包含由Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Mn，Re，Fe，Co，Ni，Cu，Ag，Al，Ge构成的组中的至少一种金属。
6.权利要求5中的导热材料，其中，在该材料中包括少量的金属-碳化合物，所述金属-碳化合物含有由Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Mn，Re，Fe，Co，Ni，Cu，Ag，Al，Ge构成的组中的至少一种金属。
7.权利要求5中的导热材料，在具有最大直径的金刚石部分中，氮含量为100ppm或更低，且热导率至少为500W/mK。
全文摘要
本发明涉及具有高热导率和热扩散率的含有金刚石的复合材料以及上述材料在散热器，热传播和其它导热应用中的使用。该材料包含金刚石颗粒，碳化硅和硅，并有至少400W/mK的热导率和至少2.1cm
文档编号H01L23/373GK1575265SQ01819274
公开日2005年2月2日 申请日期2001年9月10日 优先权日2000年11月21日
发明者T·艾克斯特姆, 郑捷, K·克罗布, S·K·戈狄弗, L·V·丹楚克瓦 申请人:斯克勒顿技术股份公司