CN106995896A - 一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的表面金属化方法及结构，在金刚石颗粒增强金属基复合材料表面上依次制备有第一金属层以及第二金属层，其中，前述金刚石颗粒增强金属基复合材料表面裸露的金刚石颗粒表面与第一金属层之间制备有碳化物层。第二金属层可完整包覆复合材料中伸出的金刚石颗粒，可大幅降低复合材料表面的粗糙度，提高了复合材料的加工精度。

Description

一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化方法及结构

技术领域

本发明属于金刚石复合材料领域，具体为金刚石颗粒增强金属基复合材料的表面金属化层结构。

背景技术

金刚石颗粒增强金属基复合材料具有高导热的优点，可用于高功率半导体激光器的热沉/衬底材料、功率放大器件、大功率微波器件、大功率雷达器件的封装材料。在半导体器件封装领域，金刚石颗粒增强金属基复合材料的热膨胀系数(CTE)与半导体芯片匹配，解决了半导体芯片封装中热应力的问题，可以直接作为半导体芯片的封装材料，但是金刚石颗粒增强金属基复合材料在封装应用中存在以下2个技术难题：

1.表面金属化薄膜与裸露金刚石颗粒之间的界面结合问题：金刚石颗粒增强金属基复合材料中的金刚石与焊料的浸润性很差，难以直接与半导体芯片或器件进行键合，传统的化学镀Ni电镀Au方式也不能在裸露的金刚石表面形成有效的冶金结合界面。

2.金刚石颗粒增强金属基复合材料难以加工，表面质量差：金刚石颗粒具有极高的硬度，一般的机械加工方法难以保证金刚石颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度和尺寸精度。

中国专利201410407949.3公开了一种金刚石铜复合材料表面镀金的方法，工艺流程复杂，在产业化推广中存在困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的表面金属化方法及结构。

一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，具体为：金刚石颗粒增强金属基复合材料表面上依次制备有第一金属层以及第二金属层，其中，前述金刚石颗粒增强金属基复合材料表面裸露的金刚石颗粒表面与第一金属层之间制备有碳化物层。所述第二金属层的厚度大于前述复合材料表面裸露的金刚石颗粒的高度，使得第二金属层完整包覆前述复合材料表面的金刚石颗粒。第二金属层表面相对于前述复合材料包含有裸露的金刚石颗粒的表面而言，可以理解为是一个平面，在后续抛光处理后得到预期的粗糙度，用于半导体芯片的键合可得到更优的键合效果。

所述碳化物层具体为Cr₃C₇、Cr₂₃C₇、Cr₃C₂、Ni₃C、TiC、WC中的一种或多种。

所述第一金属层具体为Ti、Pt、Au、Ni、Ni–P、Ni-Cr-P、W的一种或多种。

所述第二金属层具体为Cu、Ti、Al、Cr、Ni、Ni-P、Ni-Cr-P、W中的一种或多种。

所述第一金属层和/或第二金属层为多种金属的层状结构，或者多种金属的合金。

所述金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属基材具体为Cu、Al、Ag、Mg、Ni、Co、Mo、Fe、Mn、Cr、Zr、B、Ti、Ta、Nb、Au、W、Zn在内的一种金属材料或多种金属组成的合金。

一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化方法，用于制备上述金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，包括以下步骤：

步骤1) 在金刚石颗粒增强金属基复合材料表面制备第一金属层；

步骤2）在第一金属层上制备出第二金属层，第二金属层的厚度大于前述复合材料表面裸露的金刚石颗粒的高度，使得第二金属层完整包覆前述复合材料表面的金刚石颗粒；

步骤3）第二金属层表面进行抛光和/或研磨处理。

其中，在步骤1）或者2）中的任意阶段中，在前述复合材料的裸露的金刚石颗粒表面与第一金属层之间制备碳化物层，此处所提到的“任意阶段”，具体指碳化物层的制备步骤在第一金属层制备前，或者在第一金属层制备后，或者在第二金属层制备后等，对碳化物层的制备步骤没有严格的限定。

所述制备方法具体包括电镀，化学镀，CVD，PVD，喷涂，烧结，浸渗，堆焊，钎焊，高能束熔覆中的一种或多种。

采用本方案后，所产生的有益效果：

1)在裸露的金刚石与第一金属化层之间形成碳化物层，可使二者之间形成可靠的冶金结合界面，降低表面界面层的热阻，提高导热效率。

2)第二金属层可完整包覆复合材料中伸出的金刚石颗粒，可大幅降低复合材料表面的粗糙度。如果进一步适当机械加工第二金属层，可获得更高的尺寸精度和表面粗糙度。

3)本发明设计的表面金属化层结构，材料易于获得，制备技术成熟，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的实施例一至实施例三。

图2为本发明的实施例四。

附图标号说明：1-金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属基体，2-金刚石颗粒增强金属基复合材料的金刚石颗粒，3-碳化物层，4-第一金属层，5-第二金属层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本文所提到的“制备”、“覆盖”包含现有的全部材料加工方法，包括但不限于电镀，化学镀，CVD，PVD，喷涂，烧结，浸渗，堆焊，钎焊，高能束熔覆，本发明中未一一列出。

如图1提供了一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，金刚石颗粒增强金属基复合材料由金属基材1和金刚石颗粒2组成，复合材料表面上依次制备有第一金属层4以及第二金属层5，其中，前述金刚石颗粒增强金属基复合材料表面裸露的金刚石颗粒2表面与第一金属层4之间制备有碳化物层3，所述第二金属层5的厚度大于前述复合材料表面裸露的金刚石颗粒的高度，使得第二金属层完整包覆前述复合材料表面的金刚石颗粒。以下给出几种具体的实施例对上述结构进行说明。

实施例一：

金刚石颗粒增强金属基复合材料具体为金刚石铝复合材料，其金属基体1为铝。金刚石铝复合材料表面依次覆盖有第一金属层4和第二金属层5，第一金属层具体为依次覆盖的Ti、Pt、Au三层金属的层状结构，第二金属层5具体为Al层，其中，金刚石铝复合材料表面裸露的金刚石颗粒2上与第一金属层4之间有碳化物层3，具体为TiC层，第二金属层Al经抛光后可得到表面粗糙度为0.22μm的金刚石铝复合材料。

实施例二：

金刚石颗粒增强金属基复合材料具体为金刚石铜复合材料，其金属基体1为铜。在金刚石铜复合材料外表面依次覆盖第一金属层4和第二金属层5，第一金属层具体为Ni-Cr-P合金层，第二金属层具体为Cu层，其中，第一金属层4和金刚石铜复合材料表面裸露的金刚石2之间有碳化物层3，碳化物层具体为碳化镍和碳化铬的混合物，抛光第二金属层Cu层后可获得表面粗糙度为0.08μm的金刚石铜复合材料。

实施例三：

金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属基体1为金属银，金刚石银复合材料外表面依次覆盖第一金属层4和第二金属层5，第一金属层4具体为W层，第二金属层为BAg60和Cu的双层结构，其中，金刚石银复合材料表面裸露的金刚石颗粒2与第一金属层4之间覆盖一层WC层，抛光Cu层后获得了表面粗糙度为0.11μm的金刚石银复合材料。

实施例四：

如图2，金刚石颗粒增强金属基复合材料具体为金刚石铜，金刚石铜复合材料外表面依次覆盖第一金属层4和第二金属层5，第一金属层和第二金属层均为Ni-Cr-P合金层，其中，金刚石铜复合材料表面裸露的金刚石颗粒2与第一金属层4之间有碳化物层3，碳化物层具体为多种Cr-C化合物的混合物，对第二金属层表面进行抛光后可获得表面粗糙度为0.15μm的金刚石铜复合材料。

为了优化半导体芯片的键合效果，在第二金属层5上制备一层或者多层金属层6，用于防止后续镀膜之前表面的氧化并且增加焊料的浸润性，具体为包括了Ni、Pt、Co、Mn、Ti、Mo、W、Au、Cr、Y在内的一层或多层结构，或者包含了前述金属一种或多种的合金。

Claims (10)

1.一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：金刚石颗粒增强金属基复合材料表面上依次制备有第一金属层以及第二金属层，其中，前述金刚石颗粒增强金属基复合材料表面裸露的金刚石颗粒表面与第一金属层之间制备有碳化物层，所述第二金属层的厚度大于前述复合材料表面裸露的金刚石颗粒的高度，使得第二金属层完整包覆前述复合材料表面的金刚石颗粒。

2.根据权利要求1所述的金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：所述碳化物层具体为Cr₃C₇、Cr₂₃C₇、Cr₃C₂、Ni₃C、TiC、WC中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：所述第一金属层具体为Ti、Pt、Au、Ni、Ni–P、Ni-Cr-P、W的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：所述第二金属层具体为Cu、Ti、Al、Cr、Ni、Ni-P、Ni-Cr-P、W中的一种或多种。

5.根据权利要求3或者4所述的金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：所述第一金属层和/或第二金属层为多种金属的层状结构，或者多种金属的合金。

6.根据权利要求1所述的金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：所述金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属基材具体为Cu、Al、Ag、Mg、Ni、Co、Mo、Fe、Mn、Cr、Zr、B、Ti、Ta、Nb、Au、W、Zn在内的一种金属材料或多种金属组成的合金。

7.根据权利要求1所述的金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：第二金属层上制备一层或者多层金属层，用于防止后续镀膜之前表面的氧化以及增加焊料的浸润性。

8.一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化方法，用于制备权利要求1-7所述的金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化结构，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1) 在金刚石颗粒增强金属基复合材料表面制备第一金属层；

步骤2）在第一金属层上制备出第二金属层，第二金属层的厚度大于前述复合材料表面裸露的金刚石颗粒的高度，使得第二金属层完整包覆前述复合材料表面的金刚石颗粒；

其中，在步骤1）或者2）中的任意阶段，在前述复合材料的裸露的金刚石颗粒表面与第一金属层之间制备碳化物层。

9.根据权利要求8所述的对一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化方法，其特征在于：还包括：步骤3）第二金属层表面进行抛光和/或研磨处理。

10.根据权利要求8所述的对一种金刚石颗粒增强金属基复合材料的金属化方法，其特征在于：所述制备方法具体包括电镀，化学镀，CVD，PVD，喷涂，烧结，浸渗，堆焊，钎焊，高能束熔覆中的一种或多种。