高导热率、低热膨胀系数W-Cu复合粉体及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高导热率、低热膨胀系数W

【技术实现步骤摘要】
高导热率、低热膨胀系数W
‑
Cu复合粉体及其制备方法


[0001]本专利技术涉及集成电路封装材料
，尤其涉及一种高导热率、低热膨胀系数W
‑
Cu复合粉体的化学制备方法及其复合材料。

技术介绍

[0002]在集成电路中，电子封装材料起着芯片保护、芯片支撑、芯片散热、芯片绝缘以及芯片与外电路连接的作用，这就要求封装材料具有优异的导电性、导热性，良好的化学惰性，低的热膨胀系数和高硬度等等。随着微电子技术的快速发展，集成电路正在逐渐高集成化和小型化，这意味着封装材料需要把热量及时地释放出去，并且具有较低的热膨胀系数，保证能与微电子器件中Si、GaAs等半导体器件具有良好的热匹配，从而避免了热应力引起的热疲劳失效，而传统封装材料已经不能满足这些要求。
[0003]钨
‑
铜(W
‑
Cu)复合材料结合钨(W)和铜(Cu)的各自优点，具有高强度、耐高温、耐电弧烧蚀、导电导热性能好和低的热膨胀系数等一系列优异的特性。因此，W
‑
Cu复合材料在电子封装领域具备广阔的应用前景。组织分布均匀、特殊的W
‑
Cu网络状结构以及W和Cu的成分调节能使得W
‑
Cu复合材料具有高的导热率和低的热膨胀系数，满足电子封装领域的性能指标。
[0004]但由于W和Cu不互溶且润湿性差等特点，导致通过传统制备方法(如熔渗法、高温液相烧结)的W
‑
Cu复合材料往往致密度低，组织不均匀等不足。机械合金化虽然能制备纳米级且粒度分布均匀的W
‑
Cu复合粉体，但会产生严重的粉体团聚现象，并且在工艺过程中容易引入杂质，不利于材料的物理性能，更难以用于批量化生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种高导热率、低热膨胀系数W
‑
Cu复合粉体的化学制备方法及其复合材料，采用湿化学法制备W
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Cu复合前驱体，液液掺杂能使“W源”和“Cu源”达到原子级别的混合，通过不同的还原工艺组合获得W
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Cu复合粉末，W
‑
Cu复合粉末具有低氧含量、超细晶、粒度可控且分布均匀的特点，而且烧结活性高、能实现批量化生产，同时能够适用于金属注射成型或者3D打印工艺，再通过后序液相烧结制得高致密度、高导热率、低热膨胀系数、组织分布均匀的高导热率、低热膨胀系数W
‑
Cu复合粉体。
[0006]本专利技术提出一种高导热率、低热膨胀系数W
‑
Cu复合粉体的制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：前驱体制备
[0008]分别将偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)和硝酸铜(Cu(NO3)2·
3H2O，Aladdin，纯度≥99.5％)溶解在去离子水中，加热搅拌得到混合溶液，等混合溶液透明后加入草酸(C2H2O4·
2H2O，分析纯)，混合溶液搅拌蒸干后得到的沉淀物即为W
‑
Cu前驱体。
[0009]在步骤1中，通过化学计量法，硝酸铜和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的31.29
‑
120.70％、38
‑
40％。
[0010]步骤2：分步氢气热解还原
[0011]将步骤1获得的块状前驱体在研钵中充分研磨得到细粉，将盛装有细粉的烧舟放入氢气(氢气纯度≥99.999％)还原炉中进行三步还原：首先将温度升至380
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420℃，保温20
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40min，使残留有机物充分分解及挥发；随后升温至550
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650℃，保温50
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70min；再升温至800
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900℃，保温100
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240min，最后降至室温。
[0012]步骤3：低温液相烧结
[0013]将步骤2获得的还原后W
‑
Cu复合粉末采用钢模压制成生坯，压制力为300
‑
500MPa，再将生坯置于管式炉中，在氢气(氢气纯度≥99.999％)氛围下先将温度升至1100
‑
1300℃，在1100
‑
1300℃保温100
‑
140min，然后降至室温，得到W
‑
Cu复合材料。
[0014]现有技术中采用钨粉和铜粉直接混合制取钨铜复合材料，往往均匀性不好、存在较多闭空隙，致密度通常低于98％。
[0015]现有技术中采用熔渗法，先将钨粉冷压成坯，初步烧结制成钨骨架，再在骨架上放置压制的铜粉或铜块，升至高温，使铜熔化渗入钨坯空隙中，从而制得钨铜材料。由于在钨骨架烧结过程中容易形成闭孔(1
‑
3％)，因此不能获得高致密的钨铜合金，同时当钨含量较低时，难以形成稳定的骨架，限制了该方法的应用范围。
[0016]现有技术中采用液相烧结主要是将钨粉和铜粉混合均匀，并加入粘合剂冷压成坯，再在1200℃以上的高温下通过液相烧结直接获得钨铜复合材料。由于钨和铜的润湿性较差，为了致密化液相烧结过程中往往会加入少量的Ni、Co等元素改善其润湿性，然而这些元素会使钨铜合金的热导率及导电率降低。
[0017]而通过高能湿磨制备出纳米晶钨铜复合粉末，然而在高能湿磨过程中，由于球磨介质和表面活性剂的加入，一方面容易对粉末造成污染，另一方面这些试剂在颗粒表面形成液体薄膜阻碍了钨铜的机械合金化。
[0018]申请号为201110007251.9的中国专利技术专利申请(专利技术名称为一种高钨含量的高致密细晶钨铜材料及其制备方法，申请人为中南大学，申请日为2011年01月13日，公开号为CN102041421A，公开日为2011年05月04日)采用溶胶
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喷雾干燥
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多步氢还原
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压制
‑
两步烧结制备高致密细晶钨铜材料，其致密度在98.5％以上，晶粒度在1μm以下，热导率为170
‑
220W/(m
·
K)，热膨胀系数为(4.5
‑
7.0)
×
10
‑6/K，其中实施例1公开了所得W
‑
20Cu材料的热导率为200
‑
220W/(m
·
K)，热膨胀系数为(6.5
‑
7.0)
×
10
‑6/K。
[0019]本专利技术用湿化学法制备的W
‑
Cu复合粉末还原彻底，晶粒尺寸可控(500nm
‑
2μm)，无明显团聚现象，烧结活性高，显著改善了后续采用液相烧结制备的W
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Cu复合材料的致密度和物理性能。以W
‑
20Cu复合材料为例，其致密度高达99.5％，热导率高达225W/(m
·
K)，热膨胀系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导热率、低热膨胀系数W
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Cu复合粉体的化学制备方法及其复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：采用湿化学法制得W
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Cu前驱体；将W
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Cu前驱体在氢气环境中热解还原；将还原后W
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Cu复合粉末压制成型，然后在氢气氛围下升温至1100
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1300℃，保温100
‑
140min，降温得到高导热率、低热膨胀系数W
‑
Cu复合粉体。2.根据权利要求1所述高导热率、低热膨胀系数W
‑
Cu复合粉体的制备方法，其特征在于，采用湿化学法制得钨铜前驱体的具体步骤如下：将钨酸盐水溶液和铜盐水溶液混合，加热搅拌至体系溶液透明，再加入草酸水溶液，继续加热搅拌至溶液完全蒸发得到W
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Cu前驱体。3.根据权利要求2所述高导热率、低热膨胀系数W
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Cu复合粉体的制备方法，其特征在于，钨酸盐为偏钨酸铵、仲钨酸铵或钨酸铵，铜盐为硝酸铜。4.根据权利要求2所述高导热率、低热膨胀系数W
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Cu复合粉体的制备方法，其特征在于，钨酸盐水溶液的溶质为偏钨酸铵，铜盐水溶液的溶质为三水合硝酸铜，草酸水溶液的溶质为草酸二水合物，则三水合硝酸铜与偏钨酸铵的质量比为31.29
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120.70：100，草酸二水合物与偏钨酸铵的质量比为38
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40：100。5.根据权利要求1所述高导热率、低热膨胀系数W...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗来马，丁希鹏，吴玉程，昝祥，朱晓勇，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：