专利名称：一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金刚石复合材料，特别是涉及一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料，本发明还涉及该高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法。
背景技术：
大规模集成电路的允许工作温度范围通常为0 70°C，可靠使用温度范围为0 40°C。半导体器件发热面温度上升到100°C时，性能开始下降；温度由100°C每升高25°C时， 故障率将增加5 6倍。但由于电路高速运转而产生的热量甚至可以使电路局部温度达到 400°C。近年来，以高温半导体材料SiC、GaN、AlN和掺杂金刚石为代表的宽带隙半导体器件的开发引人注目，它们具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、载流子迁移率高、介电常数小、抗辐射能力强等特点，被誉为是继Si、GaAs之后的第三代半导体材料。在高温、高频、大功率电子领域具有广阔的应用前景，这类器件大都工作在高温环境中，需要特殊的封装，过去人们对高温器件的封装注意很少，但随着高温电子器件的不断发展(如GaN高温器件，其工作温度可达600°C以上)，常规的电子封装材料如玻璃环氧电路板，镀铜线和铅锡焊料等已完全不能适用，甚至标准的氧化铝陶瓷封装也不能满足要求，迫切需要新的封装材料和技术。半导体封装要求基片、机壳及盖板等材料都必须有良好的热传导性，以保证电子器件在使用过程中导致的高发热量能及时散发，防止热敏的半导体及其他元件被破坏，减少热应力引起的宏观开裂、扭曲变形、分层及其他电学和机械力学性能的过早失效。金刚石除了作为钻石具有宝贵的美学价值外，还具有一系列优异的物理化学性能，其中包括最高的硬度、弹性模量，极高的击穿场强、热导率、载流子迁移率，极低的线膨胀系数、摩擦系数，很宽的禁带、光学透过率，非常好的化学稳定性和生物相容性，纯净的金刚石为良好的绝缘体，掺杂后可成为良好的半导体甚至可能成为超导体等。金刚石的热导率极高，室温时 II型天然单晶金刚石的热导率为铜的4 5倍。达2200W · K—1 · πΓ1 ；金刚石的热膨胀系数 (1. 0 2. 0) X ΙΟ—Κ—1与第三代半导体材料相当，密度比传统金属封装材料小，具有优良的高温性能、抗辐射性能和化学稳定性，适合于高温、高频、大功率电子器件封装的高导热要求。目前，很多研究集中在将金刚石微粉与金属复合，利用金刚石的高导热性能来提高复合材料的热导，但该方法的获得的热导率多为200 600W · Γ1 · πΓ1，远低于金刚石。 随着CVD生长金刚石膜研究的不断深入、制备技术的不断改进，制备金刚石膜的质量和沉积速率逐渐提高。通过控制金刚石的组织结构，CVD金刚石膜的热导率已经达到1000 2200W · Γ1 · πΓ1，接近II型天然金刚石的水平。铜具有高熔点(1356Κ)、低电阻系数(1. 72 μ Ω · cm)、高热导率(40Iff · K-1 · m—1)、 高抗电子迁移能力，耐氧化和腐蚀，较高的机械强度，良好的延展性和可塑性，易机械加工， 易焊接等特点。金刚石具有极高的热导率，铜具有极高的电导率，如能使两者的优势充分结合，开发可用于高温、高频、大功率半导体电子器件的高热导、高电导、低功耗封装材料，可极大地推进高温、高频、大功率宽禁带半导体技术的发展，促进高温电子技术的进步，实现第三代高温半导技术在航空航天用高温传感器、宇宙探索的高温强辐射环境、通信雷达系统的高可靠射频器件、核反应堆的高温探测和监控等领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能实现高性能定向导热的高性能定向导热铜基金刚石复合材料。本发明所要解决的第二个技术问题提供一种实现该高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法。为解决上述第一个技术问题，本发明所采用的高性能定向导热铜基金刚石复合材料，包括铜基体，在所述的铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的直径为0. 5 10_，所述的金刚石棒的间距为0. 5 50_。所述的金刚石棒采用矩阵排列。所述的金刚石棒的中心轴向设有线性芯，所述的线性芯的直径为0. 1 30mm，所述的线性芯选用丝状或棒状的铜、钨、钼或钛。为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，在铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，金刚石棒的直径为0. 5 10mm， 金刚石棒的间距为0. 5 50mm，包括以下步骤(1)、以厚度为0. 1 30mm铜板作为基体，在铜基体上钻一系列相互平行的柱状通孔，通孔直径为0. 5 IOmm ；O)、采用化学气相沉积技术在柱状通孔中沉积高质量金刚石，使金刚石填充所有柱状通孔，形成金刚石棒阵列。在采用化学气相沉积金刚石棒之前，将铜基体置于微细金刚石粉的丙酮悬浊液中，进行超声波震荡种植籽晶预处理。本发明提供的高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，在铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的中心轴向设有线性芯，包括以下步骤(1)、以直径为0. 1 30mm的丝状或棒状的铜、钨、钼或钛材料作为线性芯，采用化学气相沉积技术在线性芯表面生长连续的厚度为0. 25 5mm的金刚石膜，从而得到圆柱状有芯金刚石棒；O)、以厚度为0. 1 IOOmm铜板作为基体，在铜基体上钻一系列间距为0.5 50mm的平行柱状通孔，柱状通孔直径与金刚石棒相匹配；(3)、将金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，并通过挤压使铜基体发生塑性变形， 从而使铜与金刚石棒完全接触耦合。在采用化学气相沉积金刚石棒之前，将铜基体置于微细金刚石粉的丙酮悬浊液中，进行超声波震荡种植籽晶预处理。本发明提供的高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，在铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的中心轴向设有线性芯，包括以下步骤(1)、以直径为0. 1 30mm丝状或棒状的铜、钨、钼或钛作为线性芯，采用化学气相沉积技术在线性芯表面生长连续的厚度为0. 25 5mm的金刚石膜，从而得到圆柱状有芯金刚石棒；(2)、以厚度为0. 0001 Imm薄铜片或铜箔作为基体，在铜基体上钻一系列的平行柱状通孔，孔洞直径与金刚石棒相匹配；(3)、将金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，再通过电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向沉积铜，使铜完全包覆金刚石棒，与金刚石完全接触耦合；(4)、对铜基金刚石复合材料进行均勻化退火热处理，消除内部的气孔缺陷(热处理温度为300 900°C，热处理时间根据样品尺寸确定)。在采用化学气相沉积金刚石棒之前，将铜基体置于微细金刚石粉的丙酮悬浊液中，进行超声波震荡种植籽晶预处理。所述采用电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向沉积铜时，采用单向沉积铜，或将铜片安放于金刚石棒中心，在铜片两侧沿金刚石棒方向双向沉积铜。所述的化学气相沉积法包括所有的CVD方法，例如，热丝CVD法、微波等离子体CVD 法、射频等离子体CVD法、火焰燃烧CVD法、电子回旋加速谐振波CVD、激光CVD法或直流喷射CVD法。采用上述技术方案的高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法，通过铜基体中同向装配若干具有高热导率的柱状金刚石棒阵列使该复合材料沿该方向具有很好的定向导热性能，实现高性能定向导热，该复合材料可用作电子封装和热沉材料等，解决了高温、高频、大功率电子器件的封装问题。该复合材料可实现高性能定向导热基于以下几个特点⑴金刚石具有所有已知材料中最高的热导率，约为2200W -Γ1 .m-1 ；⑵铜具有已知金属材料中的最好的热导率，约为401W · K—1 · πΓ1 ； (3)复合材料中装配了若干具有高热导率的柱状金刚石棒阵列；(4)金刚石棒中的金刚石晶粒连续致密；( 所有金刚石棒沿同一方向平行排列。这些特点使得每一根金刚石棒成为一个快速导热区，使热量沿金刚石柱状方向迅速散发，所有金刚石棒的联合效应，就使得该复合材料具有很好的定向导热性能。铜具有高熔点、低电阻系数，良好的延展性和可塑性，易机械加工，易焊接等特点，使得该复合材料开发可用于高温、高频、大功率半导体电子器件的高热导、高电导、低功耗封装材料。
图1为铜板在钻通孔阵列前后的示意图；图2为热丝化学气相沉积所得铜基金刚石复合材料的示意图；图3为热丝化学气相沉积所得铜基金刚石复合材料的金刚石SEM像的示意图；图4为采用热丝化学气相沉积技术在线性芯表面沉积高质量金刚石棒的示意图； 图4标号说明1-气体裂解热丝，2-固定支撑架，3-从动齿轮组，4-支撑台，5-气体进口装置，6-活动支持架，7-线性基体，8-主动齿轮固定架，9-主动齿轮及轴，10-联轴器，11-传动软轴，12-气体收集器；图5为有芯金刚石棒的结构图；图6为有芯金刚石棒的金刚石棒表面SEM像；图7为有芯金刚石棒的金刚石棒截面SEM像；图8为采用挤压成型制备铜基金刚石复合材料的装配示意图；图9为铜片或铜箔上有芯金刚石棒的一种装配方式；
图10为采用单向电沉积技术制备铜基金刚石复合材料的示意图；图11为铜片或铜箔上有芯金刚石棒的另一种装配方式；图12为采用双向电沉积技术制备铜基金刚石复合材料的示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。实施例1 首先，以铜板作为铜基体13，如图1所示，在铜基体13上钻一系列相互平行的柱状通孔14，柱状通孔14的间距为0. 5 50mm，其中铜基体13的厚度为0. 1 30mm，柱状通孔14的直径为0. 5 IOmm ；然后，采用化学气相沉积技术在柱状通孔中沉积金刚石棒15， 使金刚石填充所有柱状通孔14，形成柱状金刚石阵列，如图2所示，图3为热丝化学气相沉积所得铜基金刚石复合材料的金刚石SEM像的示意图。在进行化学气相沉积前用金刚石粉丙酮悬浊液对样品进行超声波处理5 60min、用丙酮清洗样品表面并用风机吹干，然后再采用热丝化学气相沉积技术进行金刚石薄膜的制备。实施例2 首先，如图4所示，以钨丝作为线性芯16，采用化学气相沉积技术在芯表面生长连续的金刚石膜17，从而得到圆柱状有芯金刚石棒18，线性芯16的直径为0 30mm，金刚石棒的厚度为0. 25 5mm，如图5所示，图6为有芯金刚石棒的金刚石棒表面SEM像，图7为有芯金刚石棒的金刚石棒截面SEM像；然后，以铜板作为铜基体13，在铜基体13上钻一系列的平行的柱状通孔14，柱状通孔14的间距为0. 5 50mm，柱状通孔14的直径与圆柱状有芯金刚石棒18相匹配，其中铜基体13的厚度为0. 1 IOOmm ；接着，将圆柱状有芯金刚石棒18压入铜基体13的柱状通孔14中，并通过挤压使铜基体发生塑性变形，从而使铜与金刚石棒完全接触耦合，如图8所示。在进行化学气相沉积前用金刚石粉丙酮悬浊液对样品进行超声波处理5 60min、用丙酮清洗样品表面并用风机吹干，然后再采用热丝化学气相沉积技术进行金刚石薄膜的制备。实施例3 首先，如图4所示，以丝状或棒状的铜、钨、钼或钛作为线性芯16，采用化学气相沉积技术在芯表面生长连续的金刚石膜17，从而得到圆柱状有芯金刚石棒18，线性芯16的直径为0. 1 30mm，金刚石膜的厚度为0. 25 5mm，如图5所示；然后，以薄铜片19作为基体，在基体上钻一系列的平行柱状通孔，孔洞直径与圆柱状有芯金刚石棒18相匹配，其中薄铜片19厚度为0. 0001 Imm ；接着，如图9所示，将圆柱状有芯金刚石棒18压入薄铜片 19的柱状通孔中，圆柱状有芯金刚石棒18 —端与薄铜片19平齐，另一端高出薄铜片19，再通过电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向单向电沉积铜，使铜完全包覆圆柱状有芯金刚石棒 18，与金刚石完全接触耦合，如图10所示；最后，对铜基金刚石复合材料进行均勻化退火热处理，消除内部的气孔等缺陷。如图11所示，将圆柱状有芯金刚石棒18压入薄铜片19的柱状通孔中，圆柱状有芯金刚石棒18两端均高出薄铜片19，即薄铜片19安放于圆柱状有芯金刚石棒18中心，如图12所示，在薄铜片19两侧沿圆柱状有芯金刚石棒18方向双向沉积铜。
在进行化学气相沉积前用金刚石粉丙酮悬浊液对样品进行超声波处理5 60min、用丙酮清洗样品表面并用风机吹干，然后再采用热丝化学气相沉积技术进行金刚石薄膜的制备。
权利要求
1.一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料，包括铜基体，其特征在于在所述的铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的直径为0. 5 10mm，所述的金刚石棒的间距为0. 5 50mm。
2.根据权利要求1所述的高性能定向导热铜基金刚石复合材料，其特征在于所述的金刚石棒采用矩阵排列。
3.根据权利要求1或2所述的高性能定向导热铜基金刚石复合材料，其特征在于所述的金刚石棒的中心轴向设有线性芯，所述的线性芯的直径为0. 1 30mm，所述的线性芯选用丝状或棒状的铜、钨、钼或钛。
4.一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，在铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，金刚石棒的直径为0. 5 10mm，金刚石棒的间距为0. 5 50mm，其特征在于包括以下步骤(1)、以厚度为0. 1 30mm铜板作为基体，在铜基体上钻一系列相互平行的柱状通孔， 通孔直径为0. 5 IOmm ；O)、采用化学气相沉积技术在柱状通孔中沉积高质量金刚石，使金刚石填充所有柱状通孔，形成金刚石棒阵列。
5.根据权利要求4所述的高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于在采用化学气相沉积金刚石棒之前，将铜基体置于微细金刚石粉的丙酮悬浊液中，进行超声波震荡种植籽晶预处理。
6.一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，在铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的中心轴向设有线性芯，其特征在于包括以下步骤(1)、以直径为0.1 30mm的丝状或棒状的铜、钨、钼或钛材料作为线性芯，采用化学气相沉积技术在线性芯表面生长连续的厚度为0. 25 5mm的金刚石膜，从而得到圆柱状有芯金刚石棒；(2)、以厚度为0.1 IOOmm铜板作为基体，在铜基体上钻一系列间距为0. 5 50mm的平行柱状通孔，柱状通孔直径与金刚石棒相匹配；(3)、将金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，并通过挤压使铜基体发生塑性变形，从而使铜与金刚石棒完全接触耦合。
7.根据权利要求6所述的高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于在采用化学气相沉积金刚石棒之前，将铜基体置于微细金刚石粉的丙酮悬浊液中，进行超声波震荡种植籽晶预处理。
8.一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，在铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的中心轴向设有线性芯，其特征在于包括以下步骤(1)、以直径为0.1 30mm丝状或棒状的铜、钨、钼或钛作为线性芯，采用化学气相沉积技术在线性芯表面生长连续的厚度为0. 25 5mm的金刚石膜，从而得到圆柱状有芯金刚石棒；(2)、以厚度为0.0001 Imm薄铜片或铜箔作为基体，在铜基体上钻一系列的平行柱状通孔，孔洞直径与金刚石棒相匹配；(3)、将金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，再通过电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向沉积铜，使铜完全包覆金刚石棒，与金刚石完全接触耦合；(4)、对铜基金刚石复合材料进行均勻化退火热处理，消除内部的气孔缺陷(热处理温度为300 900°C，热处理时间根据样品尺寸确定)。
9.根据权利要求8所述的高性能定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于在采用化学气相沉积金刚石棒之前，将铜基体置于微细金刚石粉的丙酮悬浊液中，进行超声波震荡种植籽晶预处理。
10.如权利要求8或9所述的定向导热铜基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于 所述采用电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向沉积铜时，采用单向沉积铜，或将铜片安放于金刚石棒中心，在铜片两侧沿金刚石棒方向双向沉积铜。
全文摘要
本发明公开了一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法，在所述的铜基体上同向平行分布有若干金刚石棒，所述的金刚石棒的直径为0.5～10mm，所述的金刚石棒的间距为0.5～50mm。本发明既通过铜基体中同向装配若干具有高热导率的柱状金刚石棒阵列使该复合材料沿该方向具有很好的定向导热性能，该复合材料可用作电子封装和热沉材料等，可解决高温、高频、大功率电子器件的封装问题。
文档编号H01L23/373GK102244051SQ201110169998
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者余志明, 刘学璋, 尹登峰, 魏秋平 申请人:中南大学