[发明专利]一种高导热复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高导热复合材料及其制备方法和应用，以ZA27合金锭为基体、高纯AlN陶瓷颗粒为增强体浇铸得到产品，AlN_p/ZA27复合材料中基体ZA27合金的质量百分比分别为Zn占70.75％、Al占27.20％、Cu占2.05％，增强体AlN陶瓷颗粒的体积百分比分别为p＝2％、4％、6％、8％，粒径为1μm、40nm；本发明复合材料浇铸温度合理，保温时间适当；添加AlN陶瓷颗粒能够显著细化晶粒尺寸，有效增强合金硬度；在微电子封装材料、大规模集成电路器件上具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于微电子封装材料技术领域，具体涉及一种高导热复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着半导体加工技术的快速进步，电子元器件正朝着更轻、更小、更快的趋势发展。目前大规模生产的半导体芯片尺寸已经从45nm缩小到14nm、7nm甚至7nm以下，而芯片尺寸缩小、集成化程度提高所带来的是芯片发热量的大幅增加。常用的Si、GaAs半导体温度每上升10℃，芯片失效的可能性就会上升为之前的三倍，故选用导热性好、热膨胀系数与半导体相匹配的封装材料是增强芯片性能、延长芯片使用寿命的至关重要的一环。目前，应用较为广泛的芯片封装材料包括环氧玻璃、陶瓷、金属及金属基复合材料等。有机封装材料更为轻便、易于加工，但较低的热导率、较差的耐热性限制了其应用，长时间过高的运行温度会显著降低半导体芯片的使用寿命以及集成电路的稳定性；陶瓷封装材料如AlN、Al₂O₃等有较高的强度、稳定性以及良好的热导率，但陶瓷的生产成本高、制造工艺复杂且表面易于氧化，同样会导致半导体芯片的失效；金属封装材料主要包括Cu、Al、Zn等，相较于其他两种封装材料，金属封装材料具有较高的热导率且易于加工，但金属的热膨胀系数与半导体适配性较差，在长时间的冷热循环使用后会产生热应力，导致芯片的失效。因此，以金属为基体材料，与低热膨胀系数的无机材料进行复合，制备出的热膨胀系数与芯片材料相匹配、导热性能优良的金属基复合材料具有广阔的应用前景。

锌铝(ZA)合金由于其优秀的可铸造性、耐磨性与良好的导热性能而有着广泛的应用，其中以ZA27合金的性能最为优异，在各种工程应用中正逐渐取代传统的Al、Cu等铸造合金。ZA27合金作为微电子封装材料能够有效地将半导体芯片使用过程中产生的热量传导到外界，且易于加工、成本低廉，是微电子封装的理想材料。然而，ZA27合金的理论热膨胀系数为26.0×10^-6/K，对于芯片来说过高，很容易产生较大的热应力而导致芯片失效，故需要通过将ZA27合金与低热膨胀系数的无机材料进行复合，使其热膨胀系数与芯片材料适配。

AlN具有高的热导率、低热膨胀系数、低介电常数，是与ZA27合金复合形成金属基复合材料(MMC)的理想材料。AlN加入金属基复合材料中还可以起到细化晶粒的作用，增加晶界数量，进一步增强力学性能。研究表明，AlN_p/金属复合材料的综合性能表现优异。然而，目前的研究主要集中在AlN_p/Cu复合材料、AlN_p/Al复合材料这两个体系上，对于以ZA27为基体，AlN为增强体的AlN_p/ZA27复合材料的研究很少。对于金属基复合材料来说，强化相对基体合金的力学、导热、导电性能至关重要。因此，有关高导热AlN_p/ZA27复合材料的组织结构、强化相分布、导热性能、导热机理等方面的探索急需补充，以加速高导热锌合金在微电子封装材料领域的应用进程。

发明内容