一种高导热复合材料及其制备方法和应用

本发明属于微电子封装材料，具体涉及一种高导热复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着半导体加工技术的快速进步，电子元器件正朝着更轻、更小、更快的趋势发展。目前大规模生产的半导体芯片尺寸已经从45nm缩小到14nm、7nm甚至7nm以下，而芯片尺寸缩小、集成化程度提高所带来的是芯片发热量的大幅增加。常用的si、gaas半导体温度每上升10℃，芯片失效的可能性就会上升为之前的三倍，故选用导热性好、热膨胀系数与半导体相匹配的封装材料是增强芯片性能、延长芯片使用寿命的至关重要的一环。目前，应用较为广泛的芯片封装材料包括环氧玻璃、陶瓷、金属及金属基复合材料等。有机封装材料更为轻便、易于加工，但较低的热导率、较差的耐热性限制了其应用，长时间过高的运行温度会显著降低半导体芯片的使用寿命以及集成电路的稳定性；陶瓷封装材料如aln、al2o3等有较高的强度、稳定性以及良好的热导率，但陶瓷的生产成本高、制造工艺复杂且表面易于氧化，同样会导致半导体芯片的失效；金属封装材料主要包括cu、al、zn等，相较于其他两种封装材料，金属封装材料具有较高的热导率且易于加工，但金属的热膨胀系数与半导体适配性较差，在长时间的冷热循环使用后会产生热应力，导致芯片的失效。因此，以金属为基体材料，与低热膨胀系数的无机材料进行复合，制备出的热膨胀系数与芯片材料相匹配、导热性能优良的金属基复合材料具有广阔的应用前景。

2、锌铝(za)合金由于其优秀的可铸造性、耐磨性与良好的导热性能而有着广泛的应用，其中以za27合金的性能最为优异，在各种工程应用中正逐渐取代传统的al、cu等铸造合金。za27合金作为微电子封装材料能够有效地将半导体芯片使用过程中产生的热量传导到外界，且易于加工、成本低廉，是微电子封装的理想材料。然而，za27合金的理论热膨胀系数为26.0×10-6/k，对于芯片来说过高，很容易产生较大的热应力而导致芯片失效，故需要通过将za27合金与低热膨胀系数的无机材料进行复合，使其热膨胀系数与芯片材料适配。

3、aln具有高的热导率、低热膨胀系数、低介电常数，是与za27合金复合形成金属基复合材料(mmc)的理想材料。aln加入金属基复合材料中还可以起到细化晶粒的作用，增加晶界数量，进一步增强力学性能。研究表明，alnp/金属复合材料的综合性能表现优异。然而，目前的研究主要集中在alnp/cu复合材料、alnp/al复合材料这两个体系上，对于以za27为基体，aln为增强体的alnp/za27复合材料的研究很少。对于金属基复合材料来说，强化相对基体合金的力学、导热、导电性能至关重要。因此，有关高导热alnp/za27复合材料的组织结构、强化相分布、导热性能、导热机理等方面的探索急需补充，以加速高导热锌合金在微电子封装材料领域的应用进程。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高导热复合材料及其制备方法和应用，用于解决za27合金因热导率不足、热膨胀系数较高、高温强度不足而在微电子封装领域应用受限的技术问题，通过改变aln陶瓷颗粒的掺杂量，改善alnp/za27复合材料的组织形态、导热性能，根据组织图可知，alnp/za27复合材料中存在α-al相、β-zn相、共析(α+η)组织、aln增强相，aln增强相的出现，有效提高了合金的硬度，细化了晶粒。同时，通过后续的大塑性变形工艺，改善复合材料的组织形态、aln增强相的分布，达到显著提高复合材料力学性能、导热性能的目的。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种高导热复合材料制备方法，将za27合金加热，待za27合金熔化后加入aln陶瓷颗粒进行熔炼，精炼扒渣后，浇铸得到alnp/za27复合材料，alnp/za27复合材料中，za27合金的体积百分数为92％～98％，aln陶瓷颗粒的体积百分数为2％～8％。

4、具体的，aln陶瓷颗粒为四方型aln陶瓷颗粒。

5、进一步的，aln陶瓷颗粒的粒径为1μm或40nm。

6、具体的，za27合金中，zn的质量百分比为70.75％％～71.00、al的质量百分比为27.00％～27.20％、cu的质量百分比为2.00％～2.05％。

7、具体的，熔炼过程具体为：

8、加入za27合金并升温至550～600℃，待za27合金熔化后加入aln陶瓷颗粒，升温至600～650℃，保温1～1.5h，随后降温至500～540℃，浇铸得到alnp/za27复合材料。

9、进一步的，熔炼过程需通入保护气体，并对熔炼设备进行预热。

10、更进一步的，保护气体为氩气气氛。

11、本发明的另一技术方案是，一种高导热复合材料，高导热复合材料的化学式为：alnp/za27，体积百分比p＝2％、4％、6％、8％。

12、具体的，高导热复合材料的布氏硬度为110.20～135.50hbw。

13、本发明的另一技术方案是，高导热复合材料在微电子封装材料中的应用。

14、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

15、本发明一种高导热复合材料制备方法，aln颗粒的体积分数为2％～8％时，可在za27合金基体上有效形成弥散分布的四方形aln增强相，同时有效调控aln增强相的体积分数，探究aln的添加量对于alnp/za27复合材料组织及性能的影响，显著细化za27合金基体晶粒尺寸，并引入aln增强相，起到细晶强化与弥散强化的双重作用。

16、进一步的，aln增强相在alnp/za27复合材料中的形态为四方形aln陶瓷颗粒，四方形aln陶瓷颗粒能够调控za27合金在凝固过程中的溶质再分配，有效促进共析转变β→(α+η)中zn原子由α-al向η-zn中的扩散。

17、进一步的，aln陶瓷颗粒的粒径为1μm或40nm，微米及纳米级增强相的引入能够显著细化基体晶粒，提高合金硬度，提高alnp/za27复合材料的组织均匀性。

18、进一步的，基体za27合金中zn占70.75％、al占27.20％、cu占2.05％。根据zn-al相图可知，za27合金在凝固过程中会形成初生α-al相、β-zn相、共析(α+η)组织，并且室温下初生α-al相与共析(α+η)组织呈层片状分布，有效增强合金硬度及耐磨性。aln增强相的加入能够细化za27合金晶粒，提高合金硬度，aln颗粒的含量为2.0/4.0/6.0/8.0vol.％，aln含量过高会导致复合材料致密度下降、导热性能下降，此含量设置有利于探究aln含量对alnp/za27高导热复合材料组织及性能的影响，并保证一定量aln强化相的体积分数，对复合材料的力学性能有提升作用。

19、进一步的，za27合金的熔点为509℃，因此制备alnp/za27复合材料时加入za27合金并升温至550～600℃，待za27充分熔化后加入aln陶瓷颗粒，升温至600～650℃，保温1～1.5h，随后降温至500～540℃，该温度下合金熔体的粘稠度适宜，利于浇铸，浇铸得到alnp/za27复合材料。采用该浇铸工艺可以降低复合材料的熔炼温度以及熔体吸氧量，减少氧化物夹杂的形成，有效控制复合材料的强化相数量，在该熔炼温度下，aln更好地被熔融锌铝合金润湿，同时aln不与熔融锌铝合金反应，避免了界面反应生成劣质界面，有效增加复合材料力学、导热性能。

20、进一步的，zn/al在空气中易被氧化，故在熔炼过程中通入保护气体，隔绝氧气，减少氧化物夹杂的形成；同时对设备进行预热，可有效防止高温熔炼过程中坩埚开裂。

21、进一步的，氩气是一种惰性气体，常用作熔炼过程中的保护气体，可有效隔绝氧气，防止熔炼过程中氧化物夹杂的形成。

22、一种高导热复合材料，添加aln陶瓷颗粒有效形成分布均匀、数量可控、形态多样的aln增强相，能够显著细化晶粒尺寸，形成分布均匀的强化相，有效增强合金的布氏硬度；为进一步开发能可靠服役于微电子封装高导热复合材料提供研究思路。

23、综上所述，本发明方法复合材料浇铸温度合理，保温时间适当；添加aln陶瓷颗粒能够显著细化基体za27合金晶粒，同时引入弥散分布的强化相，有效提高复合材料硬度；在微电子封装材料领域具有良好的应用前景。

24、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。