专利名称：金属基复合电封装热沉材料及其制备方法
一种金属基复合电封装热沉材料及其制备方法，属于微电子器件电封装材料及其制造技术领域。
当今整个电子器件的基本发展趋势是高密度、多功能、高速和高功率。集成度的增加使芯片上的能量急速增加，每个芯片上产生的能量达10W以上。因此如何及时散热，使电路在正常温度下工作成为一个重要问题。最简单的方法是把芯片安装在高热导率的陶瓷基片材料上。但是，电子器件用陶瓷材料往往需要与热沉金属材料结合在一起，形成组合件。此时的金属材料，除了应保留高导热率的同时，还要求热膨胀系数与陶瓷材料的热膨胀系数相近，防止在热应力下组合件产生裂纹或疲劳破坏。冶金工业出版社1996年出版的《金属基复合材料导论》一书中(T.W.克莱因等著，余永宁、房志刚译，第440页)提出一种新型金属基复合材料SiC(颗粒)/Al封装材料，通过选择合理的增强物、金属基体及控制各自的体积百分含量，从而可获得高导热、低膨胀的性能。但是这种材料存在着以下问题一是材料的高热导、低膨胀的性能难于兼得，这是因为欲获得低膨胀、高导热的SiC(颗粒)/Al复合材料，最基本的思路是控制SiC的体积含量，但由于随SiC含量的变化，复合材料的导热率、热膨胀系数呈同一方向变化(如随SiC含量的增加，复合材料的导热率、热膨胀系数均随之降低)，这就存在一个矛盾，降低热膨胀系数需要提高SiC的含量，而这势必又降低它的导热率，二者不可同时达到最佳值。二是Al基体的电镀性不好。
本发明的目的在于提供一种电镀性能好、并可同时兼顾导热率、热膨胀系数两方面性能，从而更好地适用于微电子器件电封装领域的金属基复合电封装热沉材料，并提供一种该材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明所述的金属基复合电封装热沉材料，由金属基体和分布在金属基体中的增强物SiC颗粒构成，其特征是，所述的金属基体为Cu，所述增强物SiC颗粒的体积百分含量或颗粒尺寸呈多层梯度分布。采用以上技术方案后，本发明通过控制复合材料中增强物SiC颗粒的体积百分含量或颗粒尺寸，使之呈层状梯度分布，一方面，可使材料沿梯度方向具有高的导热率、以满足对材料高导热率的要求；另一方面，材料各部分热膨胀系数也呈梯度变化，必然有一侧(SiC含量高或颗粒尺寸大的一侧)的热膨胀系数较低，使该侧与电封装的陶瓷基材相结合，从而可满足对材料低热膨胀系数的需求。这样，便可同时兼顾导热率及热膨胀系数两方面性能，最大限度地同时满足对材料高导热率及低热膨胀系数两方面的需求。另外，选择Cu作金属基体，可利用其良好的电镀性及导热性，提高复合材料与基材间的焊接性能及复合材料的散热能力。
本发明所述金属基复合电封装热沉材料的制备方法，依次包括配粉、粉末还原、混合、烘干、压坯、包套、抽真空封焊、热等静压、切割成型工序，其特征是在热等静压与切割成型工序之间，还增加一热处理工序，其目的在于消除复合材料内部的残余应力，提高材料的尺寸稳定性，并通过热处理工艺，降低复合材料的热膨胀系数。
本发明上述金属基复合电封装热沉材料的制备方法中，所述的热处理工序为在300～700℃保温1小时，然后在6小时内冷却至50℃。
试验证明本发明所述的材料能最大限度地同时满足对材料高热导、低膨胀的需求，所述方法在有效消除复合材料内部的残余应力的同时，可大大降低材料的热膨胀系数。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
图1本发明金属基复合电封装热沉材料层状结构示意图；图2本发明所述制备方法流程图。
实施例1．选择Cu为金属基体，以增强物SiC颗粒在不同层中体积百分含量不同，形成梯度复合材料，其中SiC颗粒尺寸为20μm，层数选择为a、b、c三层，三层厚度等厚(其结构示意如图1所示)，三层中Cu、SiC的体积百分含量分别为a层40％Cu,60％SiCb层50％Cu,50％SiCc层60％Cu,40％SiC本实施例的制备方法如图2所示，依次按以下步骤进行(1)．按设计好的各层Cu和SiC的成分配比及SiC颗粒尺寸，分别配备好Cu粉(140目)和SiC粉。
(2)．将Cu粉在钼丝炉中用氢气还原，还原温度400℃，还原时间2小时。
(3)．将Cu粉和SiC粉按比例放在混料桶中，加入适量酒精在微粒球磨机上混合，使其均匀，混合时间为6小时。
(4)．将混合均匀的粉料放入烘箱在80℃下烘干2小时。
(5)．烘干的粉料过筛后在四柱液压机上压制成Φ18×10mm的坯料，并装入包套中，抽真空封焊后，进行热等静压。
(6)对热等静压后得到的坯料进行热处理，具体工艺为在700℃下保温1小时，然后在6小时内冷却至50℃。
(7)去掉包套，按需要切割成型。2．选择Cu为金属基体，以增强物SiC颗粒在不同层中体积百分含量不同，形成梯度复合材料，其中SiC颗粒尺寸为5μm，层数选择为a、b、c三层，三层厚度等厚，三层中Cu、SiC的体积百分含量分别为a层40％Cu,60％SiCb层50％Cu,50％SiCc层60％Cu,40％SiC其制备过程，除热处理保温温度为300℃外，其余步骤同实施例1。3．选择Cu为金属基体，以增强物SiC颗粒在不同层中颗粒尺寸不同，形成梯度复合材料。其中，层数选择为a、b、c三层，三层厚度等厚，三层中SiC体积百分含量均为40％,SiC颗粒尺寸分别为a层5μmb层10μmc层20μm其制备过程，除热处理保温温度为500℃外，其余步骤同实施例1。
下面分别对上述各实施例所得的梯度复合材料进行热膨胀系数及导热率测试，其中热膨胀系数采用日本Fuji公司的FTM-4型全自动变形记录测定装置测试，试样尺寸为Φ3×10mm；导热率按国标GB5598-85方法测定，试样尺寸为Φ15×15mm，测试温度为50±1℃。
以上测试试验结果见表1所示，其中，α为复合材料中a层(热膨胀系数最低层)的热膨胀系数，λ为复合材料沿图1所示箭头方向的导热率。
表1本发明各实施例梯度复合材料的物理性能
为方便对比，采用与上述实施例同样的工艺制备成不同SiC体积百分含量的单层复合材料(基体为Cu)，并进行性能测试(测试方法同上)，其结果见表2，其中，α为复合材料的的热膨胀系数，λ为复合材料的导热率。
表2不同SiC体积百分含量单层复合材料的物理性能(SiC颗粒尺寸20μm)
对比表1、表2中测试结果可见，当采用普通单层复合材料时，随SiC体积百分含量的增加，复合材料的热膨胀系数和导热率均逐渐减小，要使材料同时满足低膨胀、高热导的使用需要，只能采取折中的办法，这样就必然牺牲某一方面的性能，不可能使两方面的性能同时达到最佳值；与之相对应，采用本发明所述的梯度复合材料后，一方面，可保证复合材料沿某一梯度方向(图1所示箭头方向，即实际使用时散热方向)具有较高的导热率；另一方面，还能够保证复合材料的某一侧层(图1中a层，使用时与电封装的陶瓷基材相结合的一层)具有较低的热膨胀系数，这样就很好地解决了使用普通单层复合材料时热膨胀系数与导热率不能兼顾的问题。另外，试验结果证明，采用具有良好电镀性的Cu作金属基体，可有效提高复合材料与基材的焊接性能及复合材料的散热能力。
试验表明，本发明的制备方法在增加前述热处理工艺后，在有效消除复合材料内部的残余应力的同时，可大幅度降低材料的热膨胀系数。为验证这一点，分别对上述单层复合材料在制备过程中进行热处理前后的热膨胀系数进行测试(热处理保温温度700℃)，其结果见表3，其中，α为热处理前的热膨胀系数，α′为热处理后的热膨胀系数。
表3热处理对材料热膨胀系数的影响
<p>从表3中可见，经热处理后，复合材料的热膨胀系数均有明显的下降，这表明热处理工艺确实对降低材料的热膨胀系数具有显著的效果。
综上所述，本发明达到了预期效果，实现了本发明的目的。
除上述实施例层数设计为三层外，本发明复合电封装热沉材料所述层数也可以设计成两层以上(含两层)的任意层，这可视要求而定。另外，各层厚度既可设计成等厚(如本发明上述各实施例)，也可设计成不等厚，以满足不同条件下的需要。再则，所述制备工艺包套工序中，包套内可以放置相同的坯料，也可按所需要梯度排列不同的坯料，热等静压后烧结成一个整体，以上这些都不脱离本发明的范围。
权利要求
1．一种金属基复合电封装热沉材料，由金属基体和分布在金属基体中的增强物SiC颗粒构成，其特征在于所述金属基体为Cu，所述增强物SiC颗粒的体积百分含量或颗粒尺寸呈多层梯度分布。
2．根据权利要求1所述的金属基复合电封装热沉材料，其特征在于所述增强物SiC颗粒的体积百分含量呈三层梯度分布，各层中SiC颗粒的体积百分含量依次为60％,50％,40％。
3．根据权利要求1所述的金属基复合电封装热沉材料，其特征在于所述增强物SiC颗粒的颗粒尺寸呈三层梯度分布，各层中SiC颗粒尺寸依次为5μm,10μm,20μm。
4．一种根据权利要求1所述的金属基复合电封装热沉材料的制备方法，依次包括配粉、粉末还原、混合、烘干、压坯、包套、抽真空封焊、热等静压、切割成型工序，其特征在于在热等静压与切割成型工序之间，还增加一热处理工序。
5．根据权利要求4所述的金属基复合电封装热沉材料的制备方法，其特征在于所述的热处理工序为，在300～700℃下保温1小时，然后在6小时内冷却至50℃。
全文摘要
一种金属基复合电封装热沉材料及其制备方法,属于微电子器件电封装材料及其制造技术领域,所述材料由金属基体和分布在金属基体中的增强物SiC颗粒构成,其特征是,所述的金属基体为Cu,所述SiC颗粒的体积百分含量或颗粒尺寸呈多层梯度分布。其制备方法依次包括粉末还原、混合、烘干、压坯、包套、抽真空封焊、热等静压、切割成型,其特征是:在热等静压后,还增加一热处理工序。本发明可同时较好地满足对材料高热导、低膨胀两方面的需求。
文档编号H01B1/22GK1212438SQ9811777
公开日1999年3月31日 申请日期1998年9月18日 优先权日1998年9月18日
发明者吉元, 高晓霞, 李英, 钟涛兴 申请人:北京工业大学