一種原位合成a1n/a1電子封裝材料的方法
2023-10-04 05:37:44 2
專利名稱：一種原位合成a1n/a1電子封裝材料的方法
技術領域：
本發明屬於電子封裝材料技術領域，具體涉及一種原位合成A1N/A1電子封裝材料的方法。
背景技術：
現在陶瓷在電子技術、計算機技術、空間技術、能源工程等新技術的發展中有著廣 泛的應用。在某些應用領域，陶瓷材料的導熱性是一項重要的考慮因素，尤其在作為半導體 元件絕緣基片使用的電子工業領域內更為突出。隨著現代電子技術的飛速發展，要求整體 朝著微型化、輕型化、高集成度、高可靠性方向發展。同時，器件越來越複雜，又將導致基片 尺寸增大和集成度提高，使得基片功率耗散增加。因此，基片的散熱以及材料的選擇便成為 重要的課題。根據基片材料所服役的條件，要求用於集成電路的基片材料在電、熱、力學、化學 等方面具有良好的性能。在電性能方面應該具有絕緣電阻高、耐高壓、介電常數小、介電損 耗低等特點；在熱性能方面應具有一定的強度，能起支撐作用；在化學應用方面應該具有 良好的穩定性，不吸潮性。此外，尺寸精度、厚膜金屬化也應滿足要求、製造方面除了低成本 夕卜，必須考慮到工藝的再現性好、可靠性高、易管理、原料豐富、沒有公害和毒性等。而金屬 材料和有機材料很難滿足上述要求，只有某些複合陶瓷材料才可以考慮。複合陶瓷材料由於其高的電絕緣性能，低的介電常數和低的介電損耗，具有和元 件相近的熱膨脹係數，很高的化學穩定性和較好的熱導率，還具有良好的綜合性能，從而廣 泛應用於電子器件及電路。目前，Al2O3是應用最成熟的陶瓷散熱基片材料，但其相對較低 的熱導率，大於矽單晶的介電常數和熱膨脹係數，使其在大規模特別是超大規模集成電路 中的運用受到了限制。AlN具有高的熱導率(實際值可達ZSOw.nT1.!^)，是Al2O3的8 10 倍，且體積電阻率、擊穿強度、介電損耗等電氣性能可與Al2O3相媲美，還具有高的強度(約 為Al2O3的兩倍)與良好的機械加工性能，其熱膨脹係數與Si極為相近，可進行多層布線， 被視為新一代很有發展前途。由於AlN複合陶瓷材料不但可以滿足熱力學性能要求而且具 有較好的綜合性能，受到了越來越多的關注。但由於AlN原料粉價格高且燒結成本高，限制了 AlN陶瓷材料的實際應用。陶瓷 材料添加金屬可有效地改善陶瓷的韌性、熱導率及燒結性能而不影響其物理性能。由於Al 與AlN不潤溼的特性，採用原位合成方法解決其界面連接問題並提高AlN的燒結性能，降低
燒結溫度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種原位合成 A1N/A1電子封裝材料的方法。該製備方法簡單，燒結溫度較低，所製備的A1N/A1複合材料 的熱物理性能可在較寬範圍內調節，能夠滿足電子封裝要求。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種原位合成A1N/A1電子封裝材料的方法，其特徵在於，合成過程為將摩爾比為3 6 1的A1粉和NH4C1粉均勻混合 後，先在20 30MPa壓力下模壓成型，再在200 400MPa壓力下冷等靜壓成型，將冷等靜 壓成型後的生坯放入石墨模具中，隨後放入熱壓燒結爐中，預抽真空至0. 05Pa後關閉熱壓 燒結爐的真空閥，通入氮氣使熱壓燒結爐內氣壓回升至常壓，升溫至700 1000°C燒結，燒 結過程中施加20 40MPa的壓力，保溫60 120分鐘，隨爐冷卻後即製成A1N/A1複合材 料。所述A1粉的質量純度為99. 8%，NH4C1粉的質量純度為99. 9%，所述氮氣的體積
純度> 99.8%。所述A1N/A1複合材料的緻密度為98 99. 4%，熱導率為190w. nT1. k"1 210w. nT1. k—1，熱膨脹係數為 5.8X10^ 6. 2X lO—K—1。所述A1N/A1複合材料中A1N的體積分數為60 85%。本發明與現有技術相比具有以下優點1、所製備的A1N/A1複合材料中A1N為原位合成，與金屬A1具有很好的界面結合。2、原料來源廣、價格便宜，A1N的體積分數可以通過NH4C1的添加量來控制。3、本發明所製備的A1N/A1電子封裝材料的熱導率高，熱膨脹係數與Si接近，完全 能夠滿足電子封裝的要求。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本發明製備的A1N/A1複合材料的XRD圖譜。圖中e為衍射角，單位為度。
具體實施例方式實施例1將摩爾比為3 1的A1粉和NH4C1粉混合均勻後，放入直徑為40mm的圓柱形鋼製 模具中，在25MPa的壓力下壓製成厚度為6mm的坯體，隨後放入冷等靜壓設備中，在400MPa 壓力下保壓2分鐘。將冷等靜壓成型後的坯體放入石墨模具中，隨後放入熱壓燒結爐中，熱 壓燒結爐預抽真空至0. 05Pa，然後關閉熱壓燒結爐上的真空閥，熱壓燒結爐充入氮氣使熱 壓燒結爐內氣壓回升至常壓，以40°C /min的升溫速率升溫1000°C，保溫60分鐘，在燒結過 程中施30MPa的壓力。隨爐冷卻後，取出所製備的A1N/A1複合材料，進行性能測試。該實 施例所製備的A1N/A1複合材料的緻密度為99. 4%, A1N/A1複合材料中A1N的體積分數為 85%, A1N/A1複合材料的熱導率為190w. nT1. k—1，熱膨脹係數為5. 8X lO—IT1。實施例2 將摩爾比為6 1的A1粉和NH4C1粉混合均勻後，放入直徑為40mm的圓柱形鋼製 模具中，在20MPa的壓力下壓製成厚度為6mm的坯體，隨後放入冷等靜壓設備中，在299MPa 壓力下保壓2分鐘。將冷等靜壓成型後的坯體放入石墨模具中，隨後放入熱壓燒結爐中，熱 壓燒結爐預抽真空至0. 05Pa，然後關閉熱壓燒結爐上的真空閥，熱壓燒結爐充入氮氣使熱 壓燒結爐內氣壓回升至常壓，以40°C /min的升溫速率升溫至700°C，保溫60分鐘，在燒結 過程中施加20MPa的壓力。隨爐冷卻後，取出所製備的A1N/A1複合材料，進行性能測試。該
4實施例所製備的A1N/A1複合材料的緻密度為98%，A1N/A1複合材料中AlN的體積分數為 60%,A1N/A1複合材料的熱導率為210w. πΓ1. k—1，熱膨脹係數為6. 2X ΙΟ Λ實施例3將摩爾比為5 1的Al粉和NH4Cl粉混合均勻後，放入直徑為40mm的圓柱形鋼製 模具中，在20MPa的壓力下壓製成厚度為6mm的坯體，隨後放入冷等靜壓設備中，在299MPa 壓力下保壓2分鐘。將冷等靜壓成型後的坯體放入石墨模具中，隨後放入熱壓燒結爐中，熱 壓燒結爐預抽真空至0. 05Pa，然後關閉熱壓燒結爐上的真空閥，熱壓燒結爐充入氮氣使熱 壓燒結爐內氣壓回升至常壓，以40°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫70分鐘，在燒結 過程中施加25MPa的壓力。隨爐冷卻後，取出所製備的A1N/A1複合材料，進行性能測試。該 實施例所製備的A1N/A1複合材料的緻密度為98. 5%, A1N/A1複合材料中AlN的體積分數 為70%，A1N/A1複合材料的熱導率為202w. πΓ1. k—1，熱膨脹係數為6. OX Ι ^ΙΓ1。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明 技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬於本發明技術方 案的保護範圍內。
權利要求
一種原位合成AlN/Al電子封裝材料的方法，其特徵在於，合成過程為將摩爾比為3～6∶1的Al粉和NH4Cl粉均勻混合後，先在20～30MPa壓力下模壓成型，再在200～400MPa壓力下冷等靜壓成型，將冷等靜壓成型後的生坯放入石墨模具中，隨後放入熱壓燒結爐中，預抽真空至0.05Pa後關閉熱壓燒結爐的真空閥，通入氮氣使熱壓燒結爐內氣壓回升至常壓，升溫700～1000℃燒結，燒結過程中施加20～40MPa的壓力，保溫60～120分鐘，隨爐冷卻後即製成AlN/Al複合材料。
2.按照權利要求1所述的一種原位合成A1N/A1電子封裝材料的方法，其特徵在於 所述A1粉的質量純度為99.8%，NH4C1粉的質量純度為99.9%，所述氮氣的體積純度 ^ 99. 8%。
3.按照權利要求1所述的一種原位合成A1N/A1電子封裝材料的方法，其特徵在於所 述A1N/A1複合材料的緻密度為98 99. 4%，熱導率為190w. m—1. k-1 210w. m—1. k-1，熱膨 脹係數為5.8X10^ 6. 2X10^0
4.按照權利要求1所述的一種原位合成A1N/A1電子封裝材料的方法，其特徵在於所 述A1N/A1複合材料中A1N的體積分數為60 85%。
全文摘要
本發明公開了一種原位合成AlN/Al電子封裝材料的方法，將一定摩爾比的Al粉和NH4Cl均勻混合後，在20～30MPa壓力下模壓成型，再在200～400MPa壓力下冷等靜壓成型，將幹壓成型後的生坯放入熱壓燒結爐中，預抽真空後關閉熱壓燒結爐的真空閥，通入N2使爐內氣壓回升到常壓，在700～1000℃的溫度下燒結製成AlN/Al複合材料。本發明的優點為本發明所製備的AlN/Al複合材料中AlN為原位合成，與金屬Al具有很好的界面結合；原料來源廣、價格便宜，AlN的體積分數可以通過NH4Cl的添加量來控制；所製備的AlN/Al複合材料的熱導率高，熱膨脹係數與Si接近，完全能夠滿足電子封裝的要求。
文檔編號B22F3/16GK101829784SQ20101014792
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者朱明 , 杜雙明, 王志華, 王明靜, 王曉剛, 陳偉 申請人:西安科技大學