专利名称：一种高导热电子封装材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于电子封装材料技术领域，提供了一种高导热电子封装材 料及其制备方法。
背景技术：
随着电子技术的不断发展，电子元器件集成化程度越来越高，发热 量也越来越大，微处理器及功率半导体器件在应用过程中常常因为温度 过高而无法正常工作,散热问题己成为电子信息产业发展面临的主要技
术瓶颈之一。传统的电子封装材料主要有Al、 Cu、 Kovar合金、Invar 合金、W/Cu合金、Mo/Cu合金等。Al、 Cu的热膨胀系数过大，与陶瓷基 片不匹配；Kovar合金、Irwar合金热导率过低、热扩散能力差；W/Cu 合金、Mo/Cu合金密度较大，且导热性能无法满足现代大功率器件的电 子封装发展需要。
金刚石具有着良好的物理性能，其室温热导率为600-2200W/m-K， 热膨胀系数6/K，可以将其与高导热金属复合来制备电子封装材 料。1995年美国开发了金刚石/铜复合材料，称之为Dymalloy，采用的 是真空浸渗法制备的复合材料，作为多芯片模块的基板使用，热导率可 达420W/m.K， CTE为5. 48 6. 5X10—7K，但制备工艺复杂、成本高。 2003年日本科学家Yoshida等通过高温高压(1420 1470K， 4. 5GPa) 制备出金刚石/铜复合材料，热导率最高达742 W/m.K。俄罗斯Ekimov 等采用高温高压方法制备出导热可达900 W/m *K的金刚石/铜复合材料， 但可以获得的体积很小，应用价值不大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高导热电子封装材料及 其制备方法。
本发明技术方案如下
封装材料包括含有金刚石颗粒组成的增强体、纯铜粉及第三组元即， 铬或钼或硅或钛或钨构成，其中，增强体在材料中所占的体积分数为 25% 80%，第三组元所占的体积分数0.01% 10%。
3所述的增强体为金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合；
其中，增强体中的金刚石颗粒尺寸7 500tim，碳化硅颗粒尺寸1 120 ym，金刚石在封装材料中所占的体积分数25% 80%，碳化硅在封装材 料中所占的体积分数0% 50%。
所述的金刚石颗粒与碳化硅颗粒为未镀覆颗粒或镀铜的颗粒。 高导热电子封装材料的制备方法是，将增强体、纯铜粉、第三组元 按配比均匀混合，在还原炉中用氢气还原，时间1 5小时，温度200 40(TC;然后将混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺 抽真空，再以50 200°C/min的升温速度加热到700 1100°C，并加压 20 50MPa，达到烧结温度后保温1 20分钟，随炉冷却后取出脱模。 本发明的优点
1本发明制备的电子封装材料热导率在350 760W/irrK，线膨胀系 数4.7 12X10 7K，提高了封装材料的可靠性，可满足高功率集成电路 对电子封装材料的需求。
2本发明可省去高温高压等的复杂高成本工艺，工艺简单、效率高。
3铬、钼、硅、钛、钩的加入可改善金刚石与铜的界面结合状态， 减小金刚石与铜的界面热阻，从而获得高导热性能的电子封装材料。
4使用碳化硅颗粒替代一部分金刚石颗粒，可在导热性能小幅下降 的同时大幅降低成本。
具体实施例方式
高导热电子封装材料是由增强体、纯铜粉及第三组元即，铬或钼或 硅或钛或钨构成。首先按预先设计好的配比均匀混合，还原炉中用氢气 还原，时间1 5小时，温度200 40(TC，然后将混合粉末装入石墨模 具中，采用放电等离子烧结工艺制备高导热电子封装材料。
所述的增强体为金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合，在 材料中所占的体积分数25% 80%。其中金刚石颗粒尺寸7 500um，在 材料中所占的体积分数为25% 80%;碳化硅颗粒尺寸1 120um，在材 料中所占的体积分数为0% 50%。
所述的金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合中金刚石颗 粒与碳化硅颗粒为未镀覆颗粒或镀铜的颗粒。
所述的放电等离子烧结工艺抽真空，再以50 20(TC/min的升温速度加热到700 110(TC，并加压20 50MPa，达到烧结温度后保温l 20分钟，随炉冷却后取出脱模，制得高导热电子封装材料。 实施例1 ，
原料粒径140wm的金刚石颗粒、粒径30 um的碳化硅颗粒、纯 铜粉、钼粉体积比为25: 25: 47: 3。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度 20(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以5(TC/min 的升温速度加热到70(TC，并加压50MPa，达到烧结温度后保温3分钟， 随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为370W/nrK，热膨胀系数8.2 X10—7K。
实施例2:
原料粒径320Pm的金刚石颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为50: 48:2。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原1小时，温度 30(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以200°C/min 的升温速度加热到ll(XTC，并加压30MPa，达到烧结温度后保温10分 钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为550W/nvK，热膨胀系 数6.7X10—7K。
实施例3:
原料粒径20um的金刚石颗粒、纯铜粉、钨粉体积比为60: 30:10。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原5小时，温度 40(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以80。C/min 的升温速度加热到95(TC，并加压35MPa，达到烧结温度后保温1分钟， 随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为480W/nvK，热膨月长系数5.8 X10—7K。
实施例4:
原料粒径75iim的镀铜金刚石颗粒、纯铜粉、钨粉体积比为80: 19.5: 0.5。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原3小时，温度 30(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以75"C/min的升温速度加热到IIO(TC，并加压45MPa，达到烧结温度后保温15分 钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为760W/nvK，热膨胀系 数4.7X10—7K。 实施例5:
原料粒径120um的金刚石颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为55: 43:2。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原4小时，温度 25(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以10(TC/min 的升温速度加热到90CTC ，并加压20MPa，达到烧结温度后保温5分钟， 随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为530W/nvK，热膨胀系数6.8 X10—7K。
实施例6:
原料粒径80um的镀铜金刚石颗粒、粒径30 u m的镀铜碳化硅颗 粒、纯铜粉、钼粉体积比为60: 20: 19.5:0.5。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度 20(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以20(TC/min 的升温速度加热到950°C，并加压30MPa，达到烧结温度后保温10分钟， 随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为610W/m，K，热膨胀系数5.6 X10—7K。
实施例7:
原料粒径7um的金刚石颗粒、纯铜粉、铬粉体积比为40: 58: 2。 将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度 35(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以12(TC/min 的升温速度加热到87CTC ，并加压20MPa，达到烧结温度后保温8分钟， 随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为440W/nvK，热膨胀系数9.8
x 1(t7k。
实施例8:
原料粒径40iim的金刚石颗粒、粒径120um的镀铜碳化硅颗粒、 纯铜粉、钛粉体积比为25: 50: 24: 1。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原4小时，温度 40(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以200°C/min的升温速度加热到750°C，并加压35MPa，达到烧结温度后保温10分钟， 随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为350W/nrK，热膨胀系数6.6 X 1(T/K。
实施例9:
原料粒径500^m的金刚石颗粒、纯铜粉、硅粉体积比为42: 54:4。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2小时，温度 20(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以15(TC/min 的升温速度加热到IOO(TC，并加压25MPa，达到烧结温度后保温20分 钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为580W/nvK，热膨胀系 数8.9X1(TVK。
实施例10-
原料粒径220"m的金刚石颗粒、纯铜粉、钼粉体积比为25: 74:1。 将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原3.5小时，温 度30(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以200 。CAiin的升温速度加热到SO(TC，并加压30MPa，达到烧结温度后保温 15分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为420W/nvK，热膨 胀系数12X10—7K。 实施例11:
原料粒径110um的金刚石颗粒、粒径lum的碳化硅颗粒、纯铜 粉、铬粉体积比为45: 15: 39.99: 0.01。
将上述配比的粉混合均匀，放入还原炉中用氢气还原2. 5小时，温 度35(TC后，装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，工艺为以100 °C/min的升温速度加热到IOO(TC，并加压50MPa，达到烧结温度后保温 5分钟，随炉冷却后取出脱模。所得材料的热导率为490W/nvK，热膨 胀系数6.3X10—7K。
权利要求
1.一种高导热电子封装材料，其特征在于封装材料包括含有金刚石颗粒组成的增强体、纯铜粉及第三组元即，铬或钼或硅或钛或钨构成，其中，增强体在材料中所占的体积分数为25％～80％，第三组元所占的体积分数0.01％～10％。
2. 按照权利要求1所述的一种高导热电子封装材料，其特征在于 所述的增强体为金刚石颗粒或金刚石颗粒与碳化硅颗粒的混合；其中， 增强体中的金刚石颗粒尺寸7 500um，碳化硅颗粒尺寸1 120"m， 金刚石在封装材料中所占的体积分数25% 80%，碳化硅在封装材料中所 占的体积分数0% 50%。
3. 按照权利要求1所述的一种高导热电子封装材料，其特征在于 所述的金刚石颗粒与碳化硅颗粒为未镀覆颗粒或镀铜的颗粒。
4. 一种高导热电子封装材料的制备方法，其特征在于将增强体、 纯铜粉、第三组元按配比均匀混合，在还原炉中用氢气还原，时间1 5 小时，温度200 40(TC;然后将混合粉末装入石墨模具中，采用放电等 离子烧结工艺抽真空，再以50 200°C/min的升温速度加热到700 IIO(TC，并加压20 50MPa，达到烧结温度后保温1 20分钟，随炉冷 却后取出脱模。
全文摘要
本发明属于电子封装材料技术领域，提供了一种高导热电子封装材料及其制备方法。封装材料包括含有金刚石颗粒组成的增强体、纯铜粉及第三组元即，铬或钼或硅或钛或钨构成，其中，增强体在材料中所占的体积分数为25％～80％，第三组元所占的体积分数0.01％～10％。封装材料的制备方法是将增强体、纯铜粉、第三组元按配比均匀混合，在还原炉中用氢气还原，时间1～5小时，温度200～400℃；然后将混合粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺抽真空，再以50～200℃/min的升温速度加热到700～1100℃，并加压20～50MPa，达到烧结温度后保温1～20分钟，随炉冷却后取出脱模。
文档编号H01L23/29GK101615600SQ20091015835
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者刘永正, 岩 崔 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院