[发明专利]一种超高导热金刚石－铜复合封装材料及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石-铜复合封装材料，本发明还涉及该复合封装材料的生产方法。 

背景技术

20世纪八十年代起，微电子封装技术以及封装材料已逐渐成为影响微电子技术发展的重要因素之一。在集成电路中封装材料起着固定芯片、保护内部元件、传递电信号并向外散发元件热量的作用，是集成电路的关键部件。随着集成电路向高密度、小型化、多功能化发展，对电子封装材料的要求越来越苛刻，目前常用的封装材料已不能很好地适应微电子技术的发展需要，主要表现为：①虽然纯铜材料的热导率达到398W/(m·K)，但纯铜的强度很低，容易变形，采用铜合金虽然能在一定范围内提高强度，但导热性能会明显降低；②纯铜的热膨胀系数较大，难以与硅等半导体材料的热膨胀性能相匹配；③封装材料的热导率无法高于纯铜的热导率。因此研究开发高强高导热封装材料具有重要意义。目前，各种新型封装材料已成为各国竞相研发的热点，新型微电子封装材料不仅要有低的介电常数、低的介电损耗、与半导体材料匹配的热膨胀系数，高的热导率是新型封装材料导热能力的关键。正是在这样的背景下，以高热导率填料增强的金属基复合材料已经成为众多封装材料中的一支独秀。 

铜是常用的高导热金属材料，其热导率为398W/(m·K)，热膨胀系数17×10^-6/℃。由于纯铜的强度较低、热膨胀系数大，与硅等半导体材料匹配困难，因此其应用受到限制。金刚石是自然界中热导率最高的物质，其热导率可达到2000W/(m·K)，为纯铜的5倍，热膨胀系数1.0×10^-6/℃。因此将金刚石与铜做成复合封装材料，可以提高封装材料的热导率、调节热膨胀系数，使之与硅等半导体材料相匹配。金刚石-铜复合封装材料已逐渐成为封装用超高导热材料的研究热点。W.Z.Shao等采用粉末冶金工艺，压制压力300MPa，在1159～1220K温度下烧结，制备出了金刚石-铜复合材料，致密度高于98％。不过在900℃温度下金刚石颗粒容易碳化，生成CO或CO₂，影响材料组织和性能。K.hanada用粉末冶金的方法制备出了金刚石-铜复合材料，热导率达到400W/(m·K)，但其详细制备工艺方面没有公开。 

金刚石磨具材料的生产中有采用电沉积的方法制备镍-金刚石复合材料的工艺，该工艺以硫酸镍为电解液，在搅拌作用下使金刚石颗粒悬浮在溶液中，通直流电使镍在阴极沉积，并将金刚石埋住。但由于金刚 石不导电，因此镍与金刚石的结合只是机械的堆砌，界面结合很弱，热阻很大；同时由于镍的导热性不是很好，因此直接采用该工艺生产的镍-金刚石复合材料导热性能较差，不能满足于封装材料的要求。另外，这种悬浮搅拌沉积金刚石的工艺无法制取金刚石含量高的制品，也无法使直径大于10μm的金刚石颗粒有效悬浮，因此只适合金刚石粒度小、分数较低的制品。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高热导率、低热膨胀系数的超高导热金刚石-铜复合封装材料。 

本发明还要解决的另一个技术问题是提供该复合封装材料的制备方法。 

为了解决上述技术问题，本发明提供的超高导热金刚石-铜复合封装材料，由铜基体和分布在铜基体中的导热、强度增强物金刚石颗粒以及改善界面结合状况的添加剂构成，所述的导热、强度增强物金刚石颗粒含量以质量计为2～60％，选用粒径范围为：1μm～150μm，所述的添加剂为铜或银，所述的添加剂铜或银化学镀于金刚石表面。 

本发明提供的生产该金刚石-铜复合封装材料的方法，其步骤是： 

A.金刚石预处理：选用粒径范围为1μm～150μm的金刚石除油、粗化处理后，再进行活化和敏化； 

B.将活化敏化后的金刚石颗粒进行化学镀，化学镀条件如表1所示，通过调整施镀时间可以控制镀层厚度铜或银，镀层厚度为0.1～6μm。化学镀铜后的金刚石颗粒形貌如图3所示，化学镀银后的金刚石颗粒形貌如图4所示。 

表1金刚石化学镀条件 

C.将化学镀铜或银后的金刚石颗粒均匀分散置于一金属模具中，并以该模具为阴极，硫酸铜溶液为电解液，纯铜板为阳极，进行电沉积， 使铜在阴极析出并逐渐将金刚石颗粒埋覆，电沉积条件如表2所示，通过控制电沉积时间来调节制备样品的厚度，使金刚石颗粒含量为2～60％(以质量计)。电沉积装置如图5所示，图中：1.电流表；2.温度计；3.纯铜阳极；4.阴极模具；5.搅拌；6.硫酸铜电镀液；7.加热器；8磁力搅拌；9稳压稳流电源。 

表2电沉积镀液组成及工艺条件