电子封装用定向多孔SiC-Cu复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电子封装用定向多孔SiC-Cu复合材料及制备方法，该复合材料按体积分数计，由55～70％的SiC增强相和30～45％的Cu基质相组成，基质相和增强相是相互连续的；其制备方法采用真空溶胶-凝胶浸渍工艺结合氢气还原法在定向多孔SiC陶瓷内表面涂覆均匀连续的金属钨层，解决了SiC与Cu之间的润湿性问题，不仅使自发熔渗易于进行，而且能充分发挥Cu的高导热优势，明显改善复合材料的热物理性能。本发明专利技术工艺简单、成本低、能制备各种复杂形状的复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电子封装用的陶瓷-金属复合材料及制备方法。
技术介绍
随着集成电路的飞速发展，要求电子封装材料具有高的热导率、低的热膨胀系数和低的密度。传统的电子封装材料，如Cu/W、Cu/Mo、Invar/Cu等很难同时兼顾对上述各种性能的要求，此类复合材料虽然具有高的热导率和低的热膨胀系数，但缺点是密度太大，不仅增加了封装质量，而且气密性差，影响封装性能。SiC/Cu复合材料能将Cu的高导热与SiC低密度、低热膨胀系数的特性结合起来，作为理想的结构—功能一体化材料，已成为近年来电子封装领域研究及应用的热点之一,具有很大的商业前景。目前研究较多的是SiC颗粒增强Cu基复合材料(SiCp/Cu)，如“用半固态技术制备SiC颗粒增强复合材料电子封装壳体工艺”(中国专利200710119013.0)、“一种高导热铜基复合材料及其制备方法”(中国专利200710178844.5)、“碳化硅/铜金属陶瓷高温电接触复合材料制备方法”(中国专利03126354.2)等。而对三维网络SiC陶瓷骨架增强Cu基复合材料的研究比较少。已有的实验研究和模拟分析结果表明：当增强相体积分数相同时，三维网络SiC陶瓷骨架增强Cu基复合材料比SiCp/Cu复合材料具有更高的热导率和更低的热膨胀系数。特别是，如果作为增强相的多孔SiC陶瓷为定向多孔结构时，复合材料的性能将表现出明显的各向异性，即在与半导体器件所在的平面方向具有与之匹配的热膨胀系数、而在垂直该平面具有更高的热导率，从而既有利于减小封装材料与半导体之间的热应力，又能将半导体产生的热量及时传递给热沉而散除，保证半导体正常的工作效率和使用寿命。因此，定向三维网络SiC陶瓷骨架增强Cu基复合材料更适合用于电子封装。由于SiC与Cu之间的润湿性差，因此通常采用压力铸造法来制备SiC/Cu复合材料。如“一种泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片及制备方法”(中国专利200610045647.1)、“泡沫碳化硅/金属双连续相复合摩擦材料及其构件和制备”(中国专利200610046242.X)等。利用压力铸造法制备复合材料存在以下缺点：(1)样品中会残留部分气孔，因此会恶化复合材料的热性能；(2)零件的形状复杂性受到限制；(3)加压过程中预制件容易被破坏；(4)对模具的要求较高。相对于挤压铸造法，无压熔渗由于不需要专门的压铸设备和特定的模具，因此制备工艺简单、成本低。更重要的是，其作为一种近净成型制备工艺，能制造出各种复杂形状的大尺寸复合材料。但由于SiC与Cu之间的润湿性差，很难实现在无压状态下的快速自发渗透。此外，SiC与Cu在高温下容易发生反应生成铜硅合金，这大大降低了铜金属相的热导率，严重恶化复合材料的热物理性能。因此，如何改善SiC与Cu之间的润湿性与抑制SiC与Cu之间的反应性已成为自发熔渗制备定向三维网络SiC陶瓷骨架增强Cu基复合材料的关键问题。改善SiC与Cu之间的润湿性的方法主要有：(1)Cu基质合金化，如“一种制备高体积分数碳化硅颗粒增强铜基复合材料的方法”(中国专利200710177026.3)、“一种碳化硅/铜硅合金双连续相复合材料及其制备方法”(中国专利201210429043.2)等；(2)SiC陶瓷表面金属化，如“SiC陶瓷颗粒表面镀钨方法”(中国专利200510029906.7)、“SiC颗粒表面镀钨的方法”(中国专利201210125165.2)、“电子封装用镀钨SiC颗粒增强铜基复合材料的制备方法”(中国专利200910055976.8)等。由于Cu基质合金化后，会大大降低Cu的热导率，从而降低复合材料的热物理性能，因此不适用于制备电子封装用SiC/Cu复合材料。针对陶瓷表面镀覆金属涂层能充分发挥Cu基质高导热的特点，金属W具有与SiC相近的热膨胀系数，有助于在SiC陶瓷表面形成一层致密涂层，且W与Cu之间的润湿性好且不易发生反应，是非常理想的多孔SiC陶瓷内表面涂层用材料，然而截至目前，国内外尚未有对SiC陶瓷多孔内表面涂覆金属W涂层来制备三维网络SiC陶瓷骨架增强Cu基复合材料的公开文献报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种平面方向与半导体器件热胀系数相匹配、垂直方向具有高热导率、低密度的电子封装用的定向孔三维网络SiC陶瓷骨架增强Cu基复合材料；以及基于无压熔渗工艺制备该复合材料的方法。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：一种电子封装用定向多孔SiC-Cu复合材料，其特征在于：按体积分数计，由55～70％的SiC陶瓷相和30～45％的Cu金属相组成块体，其中SiC陶瓷相为多孔骨架结构，这些孔大致朝一个方向排列并相互连通，构成三维网络状定向孔隙，这些定向孔隙表面附有金属钨，Cu金属相熔渗在金属钨上并完全将三维网络状定向孔隙充填。上述电子封装用定向多孔SiC-Cu复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：第一步，制备定向多孔SiC陶瓷(1)按质量百分数，将SiC粉80～95％，Si3N4粉5～20％球磨混匀后干燥，加入占混合物质量百分比为5％的聚乙烯醇溶液作为粘结剂，混匀后过筛，模压成型，80℃下干燥后制成SiC生坯；(2)将SiC生坯置于中频电磁感应烧结炉中，在真空条件下升温至1900～2200℃，保温3小时，随炉冷却后得到具有三维网络状定向孔隙的多孔SiC陶瓷。第二步，在定向多孔SiC陶瓷三维网络状孔隙内表面涂覆金属W层(1)将定向多孔SiC陶瓷放入质量分数为65％的浓硝酸中进行粗化处理，超声振荡后取出，用去离子水冲洗干净；(2)将粗化后的定向多孔SiC陶瓷在WO3溶胶中浸渍30min后取出，反复浸渍3～6次；(3)将粗化浸渍后的定向多孔SiC陶瓷干燥后，在700～900℃的氢气和氩气混合气氛下还原3h，随炉冷却后取出，得到三维网络状孔隙内表面涂覆有金属钨的定向多孔SiC陶瓷；第三步，采用自发熔渗工艺使定向多孔SiC陶瓷和Cu金属的复合(1)按体积分数，将30～45％的纯Cu与55～70％第二步(3)所得定向多孔SiC陶瓷置于耐高温坩埚内，放入真空炉中；(2)将真空炉抽真空至0.01Pa以下，随后升温至1200～1400℃，在真空度≤100Pa下，保温3h进行真空熔渗，最后随炉冷却，取出坩埚，得到定向多孔SiC-Cu复合材料。以上方法中，第一步步骤(1)所述SiC粉的颗粒尺寸为100微米；所述Si3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子封装用定向多孔SiC‑Cu复合材料，其特征在于：按体积分数计，由55～70％的SiC陶瓷相和30～45％的Cu金属相组成块体，其中SiC陶瓷相为多孔骨架结构，这些孔大致朝一个方向排列并相互连通，构成三维网络状定向孔隙，这些定向孔隙表面附有金属钨，Cu金属相熔渗在金属钨上并完全将三维网络状定向孔隙充填。

【技术特征摘要】
1.一种电子封装用定向多孔SiC-Cu复合材料，其特征在于：按体积分
数计，由55～70％的SiC陶瓷相和30～45％的Cu金属相组成块体，其中SiC
陶瓷相为多孔骨架结构，这些孔大致朝一个方向排列并相互连通，构成三维
网络状定向孔隙，这些定向孔隙表面附有金属钨，Cu金属相熔渗在金属钨上
并完全将三维网络状定向孔隙充填。
2.一种电子封装用定向多孔SiC-Cu复合材料的制备方法，其特征在于，
包括下述步骤：
第一步，制备定向多孔SiC陶瓷
(1)按质量百分数，将SiC粉80～95％，Si3N4粉5～20％球磨混匀后干燥，
加入占混合物质量百分比为5％的聚乙烯醇溶液作为粘结剂，混匀后过筛，模
压成型，80℃下干燥后制成SiC生坯；
(2)将SiC生坯置于中频电磁感应烧结炉中，在真空条件下升温至
1900～2200℃，保温3小时，随炉冷却后得到具有三维网络状定向孔隙的多孔
SiC陶瓷；
第二步，在定向多孔SiC陶瓷三维网络状孔隙内表面涂覆金属W层
(1)将定向多孔SiC陶瓷放入质量分数为65％的浓硝酸中进行粗化处理，
超声振荡后取出，用去离子水冲洗干净；
(2)将粗化后的定向多孔SiC陶瓷在WO3溶胶中浸渍30min后取出，
反复浸渍3～6次；
(3)将粗化浸渍后的定向多孔SiC陶瓷干燥后，在700～900℃的氢气和
氩气混合气氛下还原3h，随炉冷却后取出，得到三维网络状孔隙内表面涂覆
有金属钨的定向多孔SiC陶瓷；
第三步，采用自发熔渗工艺使定向多孔SiC陶瓷和Cu金属的复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠旗，张阔，夏鸿雁，王继平，乔冠军，王红洁，杨建锋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61