一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层及其制备方法和应用。所述涂层从下到上由铜－金刚石复合粗上砂镀层、铜加固层、铜－金刚石复合细上砂层和在ＣＶＤ金刚石外延生长层组成。制备方法包括以下步骤：第一步，在铜基体上依次沉积铜－金刚石复合粗上砂镀层、铜加固层和铜－金刚石复合细上砂层，得到沉积有铜－金刚石复合镀层的工件；第二步，在ＣＶＤ金刚石沉积系统中，在沉积有铜－金刚石复合镀层的工件表面露头的金刚石上同质外延生长出连续的金刚石涂层。本发明专利技术的铜基镶嵌镶嵌结构界面金刚石涂纯度高、杂质少，热应力低，与基体结合牢固，是微电子热沉材料的理想选择。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金刚石膜热沉
，特别涉及一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层 及其制备方法和应用。
技术介绍
镶嵌结构界面金刚石涂层是指金刚石部分深入基体内部，界面上基体与金刚石涂 层互相咬合，能极大地提高金刚石膜与基体的结合力。随着微电子技术高速发展，半导体集成电路封装密度越来越高。高功率集成电路、 半导体发光器件、激光二极管阵列和微波器件常因散热问题而限制了其功率水平的提升。 现有的电子热沉材料，如Cu/Invar/Cu (CIC)，Cu/Mo/Cu (CMC)，Ni/Mo/Ni等镶嵌材料，其热 导率和热膨胀系数虽可根据镶嵌组合厚度来调整热导率和热膨胀系数，但整体效果是使热 导率大幅度降低，难以满足未来高功率器件的散热需求，迫切需要开发研制具有高热导率， 且热膨胀系数与半导体材料相匹配的新型微电子封装材料。目前新型电子封装材料的研究与制备已经成为各国争相研发的热点。金刚 石是已知的材料中热导率最高的物质，常温下热导率为2200W/m.K，热膨胀系数约为 (0. 86士0. DXliT6Ir1,且室温下金刚石是绝缘体，是理想的热沉材料。但是纯金刚石难以成 型加工，且成本很高，纯金刚石热沉难以在工业界广泛应用。铜是具有较高热导率的金属材 料(热导率383W/m. K)，且成型加工方便，如能在铜上沉积金刚石膜，利用金刚石膜的高热 导性能从微电子器件上将热量传输到铜散热器上，然后将热量散发到空气等介质中，铜可 加工成各种增大散热面积的形状，是一种理想组合热沉。然而铜与金刚石化学相容性很差， 铜与金刚石的润湿角达140°，且铜与金刚石的热膨胀系数相差18倍。直接在铜上沉积金 刚石膜膜/基结合力很低，大多直接从基体脱落。在铜基体上预沉积碳化物形成元素(如 Cr, W，Mo, Ti等)过渡层虽然能较大幅度提高金刚石膜/基结合力，但因增加过渡层后，金 刚石膜与铜之间的界面热阻大幅度增加，其整体热导率提高并不明显。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点和不足，本专利技术的首要目的在于提供一种铜基镶嵌 结构界面金刚石涂层。本专利技术的又一目的在于提供一种上述铜基镶嵌结构界面金刚石涂层的制备方 法；该方法在铜基体上电沉积高金刚石含量的Cu-金刚石复合镀层，在复合镀层上用 CVD (Chemical Vapor D印osition的缩写，化学气相沉积)外延生长法沉积出连续金刚石薄 膜。Cu-金刚石复合镀层降低了界面膨胀系数，在CVD过程中与Cu基体互相扩散一体化，形 成镶嵌结构界面金刚石涂层。本专利技术的再一目的在于提供上述铜基镶嵌结构界面金刚石涂层的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层，所述 铜基镶嵌结构界面金刚石涂层从下到上由铜-金刚石复合粗上砂镀层、铜加固层、铜-金刚石复合细上砂层和在CVD金刚石外延生长层组成；所述铜加固层中含有微量Cr。上述的一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤第一步，在 铜基体上依次沉积铜-金刚石复合粗上砂镀层、铜加固层和铜_金刚石复合细上砂层，得到 沉积有铜_金刚石复合镀层的工件；第二步，在CVD金刚石沉积系统中，在沉积有铜-金刚 石复合镀层的工件表面露头的金刚石上同质外延生长出连续的金刚石涂层。所述第一步具体包括以下操作步骤(1)配制上砂镀铜镀液所述上砂镀铜镀液包括以下按质量体积比计的组 分碱式碳酸铜(Cu2 (OH) 2C03) 55 65g/L、乙二胺四乙酸(EDTA) 10 20g/L、柠檬酸 (C6H8O7) 250 290g/L、酒石酸钾钠(C4O6H2KNa) 40 50g/L、碳酸氢铵(NH4HCO3) 15 20g/L 和甲酰胺150 200ml/L ；将上述组分加入蒸馏水中溶解，调节pH值至8. 3 9. 5，制得上 砂镀铜镀液；(2)配置粗上砂复合镀镀液将经过表面预处理的细金刚石颗粒放入装有上砂 镀铜镀液的上砂镀槽内，每升上砂镀铜镀液所加入的细金刚石颗粒量为30 40克，浸泡 20 36小时，得到铜-金刚石复合镀粗上砂镀液；(3)配置细上砂复合镀镀液将经过表面预处理的粗金刚石颗粒放入装有上砂 镀铜镀液的上砂镀槽内，每升上砂镀铜镀液所加入的粗金刚石颗粒量为10 15克，浸泡 20 24小时，得到铜-金刚石复合镀细上砂镀液；(4)配制加固铜镀液所述加固铜镀液包括以下按质量体积比计的组分氟硼 酸铜(Cu (BF4)2. 6H20) 500 520g/L、氟硼酸铬(Cr (BF4) 3. 4H20) 145 160g/L、氟硼酸 (HBF440% ) 40 45ml/L和硼酸(HBO3) 20 25g/L ；将上述组分加入蒸馏水中溶解，调节pH 值至0. 5 0. 7，制得加固铜镀液，将所得加固铜镀液装在加固镀槽中备用；(5)将工件表面经机械处理和化学清洗后，放入装有铜_金刚石复合镀粗上砂镀 液的粗上砂镀槽中，采用埋砂法上砂，电流密度为0. 4 lA/dm2，粗上砂镀时间为15 35 分钟，得到镀有铜_金刚石复合上砂镀层的工件；(6)将镀有铜-金刚石复合上砂镀层的工件放入加固镀槽中电镀铜加固层，电流 密度为13 17A/dm2，加固至金刚石颗粒高度的80 90%后，取出工件，冲洗干燥；(7)将加固镀后的工件放入装有铜_金刚石复合镀细上砂镀液的细上砂镀槽中， 用悬浮法细上砂，电流密度为0. 5 lA/dm2，细上砂镀3 7分钟，细上砂层厚度为1. 0 1. 5 μ m，金刚石露头高度为1. 5 0. 5 μ m，得到沉积有铜-金刚石复合镀层的工件。步骤(2)所述粗金刚石颗粒的粒度范围为WlO W15(即颗粒直径为10 15 μ m)； 所述表面预处理按以下步骤将粗金刚石颗粒置于25 36wt. %的浓盐酸中煮沸30 60 分钟，然后用水洗至中性，得到经过表面预处理的粗金刚石颗粒；步骤(3)所述细金刚石颗 粒的粒度范围为Wl. 0 Wl. 5 (即颗粒直径为1. 0 1. 5 μ m)，所述表面预处理按以下步骤 将细金刚石颗粒置于25 36wt. %的浓盐酸中煮沸20 40min，然后用水洗至中性，得到 经过表面预处理的细金刚石颗粒。步骤(5)所述工件为紫铜片，所述机械处理是将工件表面经1000#砂纸磨光除污； 所述化学清洗是将工件在质量分数为8 10%的氢氧化钠溶液中超声清洗10 30分钟， 然后用盐酸清洗3 5分钟，最后用水洗干净。步骤(5)所述埋砂法按以下操作步骤先充分搅拌铜_金刚石复合镀粗上砂镀液，使金刚石颗粒均勻散布于上砂镀铜镀液中，再将工件水平放置在粗上砂镀槽底部，静置 1 10分钟，使金刚石颗粒将工件表面覆盖住，电镀时靠近工件表面的金刚石颗粒被阴极 析出的铜嵌入镀层中。由于加固镀液中含有较高浓度的氟硼酸铬，使步骤(6)所得加固镀后的工件上的 铜中含有0. 2 0. 3wt. % Cr,能显著提高Cu与金刚石的粘附性能，而对热导率和电阻率的 影响很小。步骤(7)所述悬浮法细上砂按以下操作步骤先充分搅拌铜_金刚石复合镀细上 砂镀液，使细金刚石颗粒均勻悬浮于上砂镀铜镀液中，再将加固镀后的工件垂直放置在细 上砂镀槽中，电镀时靠近工件表面的金刚石颗粒被阴极析出的铜嵌入镀层中。步骤(7)细 上砂的目的是提高露头金刚石密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层，其特征在于：所述铜基镶嵌结构界面金刚石涂层从下到上由铜－金刚石复合粗上砂镀层、铜加固层、铜－金刚石复合细上砂层和在ＣＶＤ金刚石外延生长层组成；所述铜加固层中含有微量Ｃｒ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱万奇，刘仲武，钟喜春，余红雅，曾德长，贺礼贤，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]