一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料及其製備方法
2023-06-14 12:47:31 2
專利名稱：一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及熱沉材料及其製備方法。
背景技術：
隨著現代電子技術的飛速發展，大功率電子元器件逐漸向著更高的集成度、更快的運行速度和更大的容量方向發展。這必然會導致電路發熱量提高，工作溫度不斷上升。一般來說，在半導體器件中，溫度每升高18°c，失效的可能性就增加2 3倍。為了保證電子元器件工作的可靠性就必須通過熱沉或封裝材料將產生的熱量傳導出去，這就要求熱沉材料具有高的導熱率(一般要求熱導率高於UOWnr1K-1)。另一方面，由於熱沉是直接與半導體晶片相連接，就要求其熱膨脹係數要與晶片相匹配，以降低由於熱錯配應力而引起的電路失效問題。目前AlN顆粒增強銅(AINp/Cu)複合材料以其高導熱、低膨脹、力學性能優良和易加工等特點而在電子封裝的熱沉材料領域顯示出巨大的應用前景。但AlN與Cu在固態及液態下均不潤溼，1100°C時兩者之間的潤溼角仍在118°以上，並且AlN顆粒本身難分散易團聚，給AINp/Cu的製備帶來困難，並導致複合材料組織均勻性差。德國Fraunhofer應用材料研究中心粉末冶金實驗室採用電脈衝燒結技術製備了 AlN體積分數在40%，60%和 80%的AINp/Cu複合材料，並對其熱物理性能進行了研究。但是由於該方法製備的複合材料緻密度較差材料中含有較多的空洞，導致材料的導熱性能很差(熱導率低於IOOWnr1K-1)。 2004年，日本九州產業技術綜合研究所採用粉末冶金方法製備出了高熱導率AINp/Cu複合材料，其中40% AINp/Cu複合材料的熱導率達到2351!^ 4,而熱膨脹係數僅為12. 6ppm/K。 該方法的關鍵技術在於，首先採用IO3粉末對原始多晶AlN粉末進行二次燒結淨化處理製備出高導熱率AlN單晶粉末，然後將燒結後的單晶陶瓷破碎研磨成納米顆粒，作為金屬基複合材料的增強體。這種方法製備的複合材料雖然性能優良，但是由於製備工藝複雜，需要在高溫下(> 1000°C)對AlN陶瓷進行二次淨化處理，並需要進行研磨破碎，將已經燒結成為塊體材料的AlN再次粉碎成顆粒，而且在AlN 二次淨化燒結過程中大部分Y2O3最終由於高溫揮發而流失，這些都增加了產品成本，不利於工業化生產。2010年波蘭的電子材料技術學院採用氬氣保護熱壓燒結加後續熱壓成型工藝製備AINp/Cu複合材料，材料得到了較高的性能，熱導率238. TSffm-1K-10但是該方法也同樣存在著材料製備工藝複雜，成本高的問題。
發明內容
本發明是要解決現有的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備工藝複雜、成本高的技術問題，而提供一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料及其製備方法。本發明的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料是按質量百分比由 15%的粒徑 1 5 μ m的稀土化合物、10 % 70 %粒徑為5 350 μ m的AlN顆粒和25 % 89 %的粒徑為5 350 μ m的電解銅製成；其中稀土化合物為&03、CaO, Ca2F和SrO粉末中的一種或幾種的組合。上述的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法按以下步驟進行一、按質量百分比稱取 15%的粒徑1 5μπι的稀土化合物、10% 70%粒徑為5 350 μ m的AlN顆粒和25% 89%的粒徑為5 350 μ m的電解銅；再按稀土化合物、AlN顆粒和電解銅質量之和的 5%稱取硬脂酸；其中稀土化合物為t03、Ca0、Ca2F 和SrO粉末中的一種或幾種的組合；二、將步驟一稱取的稀土化合物、AlN顆粒、電解銅和硬脂酸加入到球磨機中，其中球料質量比10 (1 2)，在氮氣或氬氣保護下，球磨機以250 300r/min的轉速，球磨混合1 10h，得到混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末放入磨具中，在壓力為350 600MPa的條件下保壓 15min，得到預製件；四、將步驟三得到的預製件放入焙燒爐中，在氫氣保護氣氛下，以100 200°C /h 的速率升溫至500 800°C並保溫1 汕，然後隨爐冷卻至室溫，得到預燒件；五、將步驟四得到的預燒件放入焙燒爐中，在真空氣氛或氬氣保護下，以100 2000C /h的速率升溫至900 1300°C並保溫1 3h，然後隨爐冷卻至室溫，得到AlN顆粒增強銅複合熱沉材料。本發明的方法，通過引入稀土化合物增加AlN陶瓷顆粒的燒結活性，提高AlN與銅合金的界面結合能力，同時由於機械混合過程中金屬粉末發生晶格畸變、形成大量晶體缺陷和納米級精細結構，提高了其在燒結過程中的燒結活性，使AINp/Cu複合材料可以在較低溫度下實現高緻密度燒結，保證了 AINp/Cu複合材料具有極高的緻密度和高的導熱性能。機械混合過程中添加硬脂酸可以增加後續預製件壓製成型過程中的粉末的流動性，提高預製件和最終燒結複合材料的緻密度。本發明製備的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率在200w/mK以上，緻密度在98%以上，熱膨脹係數彡14ppm/K。可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大在降低。本發明的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料可作為新一代的電子封裝用熱沉材料。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料是按質量百分比由 15%的粒徑1 5μπι的稀土化合物、10% 70%粒徑為5 350 μ m的AlN顆粒和25% 89%的粒徑為5 350 μ m的電解銅製成；其中稀土化合物為Y2O3、CaO、Ca2F和 SrO粉末中的一種或幾種的組合。本實施方式中當稀土化合物為組合物時，各種稀土化合物按任意比組合。本實施方式的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率在200w/mK以上，緻密度在 98%以上，熱膨脹係數彡14ppm/K。可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，可作為新一代的電子封裝用熱沉材料。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是AlN顆粒增強銅複合熱沉材料是按質量百分比由5 % 10 %的粒徑2 4 μ m的稀土化合物、20% 60 %粒徑為 20 300 μ m的AlN顆粒和30% 75%的粒徑為20 300 μ m的電解銅製成。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式一所述的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法按以下步驟進行一、按質量百分比稱取 15%的粒徑1 5μπι的稀土化合物、10% 70%粒徑為5 350 μ m的AlN顆粒和25% 89%的粒徑為5 350 μ m的電解銅；再按稀土化合物、AlN顆粒和電解銅質量之和的 5%稱取硬脂酸；其中稀土化合物為t03、Ca0、Ca2F 和SrO粉末中的一種或幾種的組合；二、將步驟一稱取的稀土化合物、AlN顆粒、電解銅和硬脂酸加入到球磨機中，其中球料質量比10 (1 2)，在氮氣或氬氣保護下，球磨機以250 300r/min的轉速，球磨混合1 10h，得到混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末放入磨具中，在壓力為350 600MPa的條件下保壓 15min，得到預製件；四、將步驟三得到的預製件放入焙燒爐中，在氫氣保護氣氛下，以100 200°C /h 的速率升溫至500 800°C並保溫1 汕，然後隨爐冷卻至室溫，得到預燒件；五、將步驟四得到的預燒件放入焙燒爐中，在真空氣氛或氬氣保護下，以100 2000C /h的速率升溫至900 1300°C並保溫1 3h，然後隨爐冷卻至室溫，得到AlN顆粒增強銅複合熱沉材料。本實施方式製備的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率在200w/mK以上，緻密度在98%以上，熱膨脹係數< 14ppm/K。可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，可作為新一代的電子封裝用熱沉材料。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
三不同的是按質量百分比稱取 5 % 10 %的粒徑2 4 μ m的稀土化合物、20 % 60 %粒徑為20 300 μ m的AlN顆粒和 30% 75%的粒徑為20 300 μ m的電解銅。其它與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三或四不同的是步驟一中硬脂酸的質量為稀土化合物、AlN顆粒和電解銅質量之和的2% 4%。其它與具體實施方式
三或四相同。本實施方式中硬脂酸可以增加後續預製件壓製成型過程中的粉末的流動性，提高預製件和最終燒結複合材料的緻密度，在燒結過程中，硬脂酸揮發，在最終的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料中不含有硬脂酸成分。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三或四不同的是步驟一中硬脂酸的質量為稀土化合物、AlN顆粒和電解銅質量之和的2% 4%。其它與具體實施方式
三或四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
三至五之一不同的是步驟二中的球料質量比10 (1. 1 1.8)，球磨機的轉速*^0 ^0r/min，球磨時間為2 》1。其它
與具體實施方式
三至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
三至六之一不同的是步驟三的壓力為400 500MPa。其它與具體實施方式
三至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
三至六之一不同的是步驟四中的升溫速率為120 180°C /h，焙燒溫度為600 700°C，焙燒時間為1. 5 2.釙。其它與具體實施方式
三至六之一相同。本發明用以下試驗驗證本發明的有益效果試驗一本試驗的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法按以下步驟進行一、按質量百分比稱取的粒徑Iym的AO3UO %粒徑為5 ym的AlN顆粒和89%的粒徑為350 μ m的電解銅；再按氧化物、AlN顆粒和電解銅質量之和稱取硬脂酸；二、將步驟一稱取的103、Α1Ν顆粒、電解銅和硬脂酸加入到球磨機中，球料比1 10 ；轉速250r/ min，在氮氣保護下，機械混合lh，得到混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末放入磨具中，在壓力為350MPa的條件下保壓15min，得到預製件；四、將步驟三得到的預製件放入焙燒爐中，在氫氣保護氣氛下，以150°C /h的速率升溫至700°C並保溫lh，然後隨爐冷卻至室溫，得到預燒件；五、將步驟四得到的預燒件放入焙燒爐中，抽真空至2X10_5Pa，然後以 150°C /h的速率升溫至980°C並保溫1.證，然後隨爐冷卻至室溫，得到AlN顆粒增強銅複合熱沉材料。本試驗得到的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率200w/mK，緻密度98. 2%， 熱膨脹係數為14ppm/K，可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大大降低。試驗二 本試驗的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法按以下步驟進行一、按質量百分比稱取10%的粒徑5 μ m的AO3、70%粒徑為350 μ m的AlN顆粒和20% 的粒徑為250 μ m的電解銅；再按氧化物、AlN顆粒和電解銅質量之和1 %稱取硬脂酸；二、 將步驟一稱取的&03、AlN顆粒、電解銅和硬脂酸加入到球磨機中，球料比1 10;轉速 250r/min，在氮氣保護下，機械混合3h，得到混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末放入磨具中，在壓力為600MPa的條件下保壓15min，得到預製件；四、將步驟三得到的預製件放入焙燒爐中，在氫氣保護氣氛下，以250°C /h的速率升溫至750°C並保溫池，然後隨爐冷卻至室溫，得到預燒件；五、將步驟四得到的預燒件放入焙燒爐中，抽真空至2X10_5Pa，然後以200°C /h的速率升溫至1300°C並保溫池，然後隨爐冷卻至室溫，得到AlN顆粒增強銅複合熱沉材料。本試驗得到的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率300w/mK，緻密度98. 5%，熱膨脹係數為6. 2ppm/K,可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大大降低。試驗三本試驗的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法按以下步驟進行一、按質量百分比稱取4%的粒徑1 μ m的^O3、33%粒徑為20 μ m的AlN顆粒和63%的粒徑為5 350 μ m的電解銅；再按氧化物、AlN顆粒和電解銅質量之和的稱取硬脂酸； 二、將步驟一稱取的103、AlN顆粒、電解銅和硬脂酸加入到球磨機中，球料比1 10;轉速 250r/min，在氮氣保護下，機械混合2.證，得到混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末放入磨具中，在壓力為500MPa的條件下保壓15min，得到預製件；四、將步驟三得到的預製件放入焙燒爐中，在氫氣保護氣氛下，以150°C /h的速率升溫至750°C並保溫池，然後隨爐冷卻至室溫，得到預燒件；五、將步驟四得到的預燒件放入焙燒爐中，抽真空至2X10_5Pa，以 2000C /h的速率升溫至1100°C並保溫3h，然後隨爐冷卻至室溫，得到AlN顆粒增強銅複合熱沉材料。本試驗得到的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率為MOw/mK，緻密度為98. 2%，熱膨脹係數為8. 5ppm/K，可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大大降低。試驗四本試驗與試驗三不同的是步驟一中AlN粉的粒徑50 μ m、電解銅粉的粒徑 50 μ m。其它步驟與參數與試驗三相同。本試驗得到的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率270w/mK，緻密度為98. 3 %，熱膨脹係數為8. 6ppm/K，可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大大降低。試驗五本試驗與試驗三不同的是步驟一按質量百分比稱取2. 5%的粒徑5 μ m的 CaO,2. 5 %的粒徑5 μ m的Cei2F、33 %粒徑為20 μ m的AlN顆粒和62 %的粒徑為350 μ m的電解銅；其它步驟與參數與試驗三相同。本試驗得到的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率237w/mK，緻密度為98. 1%，熱膨脹係數為8. 7ppm/K，可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大大降低。試驗六本試驗與試驗三不同的是步驟一按質量百分比稱取2%的粒徑5μπι的 CaO,3%的粒徑5 μ m的&03、33 %粒徑為20 μ m的AlN顆粒和62 %的粒徑為150 μ m的電解銅；其它步驟與參數與試驗三相同。本試驗得到的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率 239w/mK，緻密度為99%，熱膨脹係數為8. 5ppm/K，可與目前電子行業常用的半導體材料、 陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大大降低。試驗五本試驗與試驗三不同的是步驟一按質量百分比稱取2%的粒徑5μπι的 CaO, 2. 5%的粒徑5 μ m的Ca2F、0. 5%的粒徑5 μ m的Sr0、33%粒徑為20 μ m的AlN顆粒和 62%的粒徑為350 μ m的電解銅；其它步驟與參數與試驗三相同。本試驗得到的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的熱導率235w/mK，緻密度為98. 4%，熱膨脹係數為8. 5ppm/K，可與目前電子行業常用的半導體材料、陶瓷材料等實現良好的熱匹配，而且製備工藝簡單，不需要昂貴的設備，使材料成本大大降低。
權利要求
1.一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料，其特徵在於AlN顆粒增強銅複合熱沉材料是按質量百分比由 15%的粒徑1 5μπι的稀土化合物、10% 70%粒徑為5 350 μ m 的AlN顆粒和25% 89%的粒徑為5 350 μ m的電解銅製成；其中稀土化合物為&03、 CaO, Ca2F和SrO粉末中的一種或幾種的組合。
2.根據權利要求1所述的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料，其特徵在於AlN顆粒增強銅複合熱沉材料是按質量百分比由5 % 10 %的粒徑2 4 μ m的稀土化合物、20 % 60%粒徑為20 300 μ m的AlN顆粒和30% 75%的粒徑為20 300 μ m的電解銅製成。
3.製備如權利要求1所述的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的方法，其特徵在於 AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法按以下步驟進行一、按質量百分比稱取 15%的粒徑1 5μπι的稀土化合物、10% 70%粒徑為5 350 μ m的AlN顆粒和25% 89%的粒徑為5 350 μ m的電解銅；再按稀土化合物、AlN顆粒和電解銅質量之和的 5%稱取硬脂酸；其中稀土化合物為t03、Ca0、Ca2F和SrO粉末中的一種或幾種的組合；二、 將步驟一稱取的稀土化合物、AlN顆粒、電解銅和硬脂酸加入到球磨機中，其中球料質量比 10 (1 2)，在氮氣或氬氣保護下，球磨機以250 300r/min的轉速，球磨混合1 10h， 得到混合粉末；三、將步驟二得到的混合粉末放入磨具中，在壓力為350 600MI^的條件下保壓15min，得到預製件；四、將步驟三得到的預製件放入焙燒爐中，在氫氣保護氣氛下，以 100 200°C /h的速率升溫至500 800°C並保溫1 3h，然後隨爐冷卻至室溫，得到預燒件；五、將步驟四得到的預燒件放入焙燒爐中，在真空氣氛或氬氣保護下，以100 200°C/h 的速率升溫至900 1300°C並保溫1 池，然後隨爐冷卻至室溫，得到AlN顆粒增強銅複合熱沉材料。
4.根據權利要求3所述的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法，其特徵在於步驟一中按質量百分比稱取5 % 10 %的粒徑2 4 μ m的稀土化合物、20 % 60 %粒徑為 20 300 μ m的AlN顆粒和30 % 75 %的粒徑為20 300 μ m的電解銅。
5.根據權利要求3或4所述的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法，其特徵在於步驟一中硬脂酸的質量為稀土化合物、AlN顆粒和電解銅質量之和的2% 4%。
6.根據權利要求3或4所述的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法，其特徵在於步驟二中的球料質量比10 (1. 1 1.8)，球磨機的轉速為260 ^0r/min，球磨時間為2 8h。
7.根據權利要求3或4所述的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法，其特徵在於步驟三的壓力為400 500MPa。
8.根據權利要求3或4所述的一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備方法，其特徵在於步驟四中的升溫速率為120 180°C /h，焙燒溫度為600 700°C，焙燒時間為1. 5 2. 5h0
全文摘要
一種AlN顆粒增強銅複合熱沉材料及其製備方法，本發明涉及熱沉材料及其製備方法。本發明是要解決現有的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料的製備工藝複雜、成本高的技術問題。本發明的AlN顆粒增強銅複合熱沉材料是由稀土化合物、AlN顆粒和電解銅製成；其中稀土化合物為Y2O3、CaO、Ca2F和SrO粉末中的一種或幾種的組合。方法先將稀土化合物、AlN顆粒、電解銅和硬脂酸球磨，然後預壓後得到預製件，再將預製件先預燒，然後再在900～1300℃的溫度下焙燒，得到AlN顆粒增強銅複合熱沉材料。該材料的熱導率在200w/mK以上，緻密度在98％以上，熱膨脹係數≤14ppm/K，可作為電子封裝用熱沉材料。
文檔編號C22C32/00GK102433481SQ20111042257
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者於倩, 宋美慧, 李巖 申請人:黑龍江省科學院高技術研究院