專利名稱：一種氧化鋁－金剛石復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料的制造方法，屬無機(jī)復(fù)合材料制造工藝
背景技術(shù)：
在超大規(guī)模集成電路(VLSI)業(yè)已進(jìn)入商品化時(shí)代，以及集中反映在存儲(chǔ)器、微處理器和專用集成電路三大領(lǐng)域里的特大規(guī)模集成電路(ULSI)朝著高集成、高速、高性能系統(tǒng)集成和全片規(guī)模集成(WSI)方向發(fā)展的同時(shí)，芯片的面積也由最初的幾平方毫米增大了上百倍。隨著集成度的不斷提高單個(gè)元件尺寸不斷減小，單位面積的熱耗散量愈來愈大。這就要求制作封裝管殼的基片材料具有極高的熱導(dǎo)率以便及時(shí)地將芯片所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。
作為集成電路基片材料要求具有特殊的性能高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、低損耗、低膨脹等。封裝材料的種類有很多，常用材料包括陶瓷、環(huán)氧玻璃、金剛石等。
高純氧化鋁陶瓷具有剛玉結(jié)構(gòu)屬三方晶系，單位晶胞是一個(gè)尖的菱面體，并具有介質(zhì)損耗較低、絕緣電阻高、熱膨脹系數(shù)小、硬度和機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因此氧化鋁陶瓷仍然是應(yīng)用最多的基片材料，但是它的導(dǎo)熱較低、介電系數(shù)較高大(9.8)、燒結(jié)溫度高1700℃，對(duì)發(fā)展高密度、微型化極為不利。
金剛石是由四面體配位碳原子組成的共價(jià)晶體，導(dǎo)熱率是所以物質(zhì)中最高的，是Al2O3的近100倍，常溫下電阻極高(1014Ωcm)，具有極低的介電損耗，熱膨脹系數(shù)與單晶硅相接近。是目前電子器件電路和系統(tǒng)中最理想的封裝基片。但是天然金剛石價(jià)格極其昂貴，且能提供的面積非常小，因此只用于極其特殊的場合。目前用化學(xué)氣相沉積法、濺射法、微波法等制備的金剛石膜的性能已接近天然金剛石，因此用金剛石膜為基礎(chǔ)的復(fù)合材料制備高導(dǎo)熱、低介電常數(shù)的基片是一種性價(jià)比很高的選擇。
由于氧化鋁陶瓷與金剛石的熱膨脹系數(shù)存在較大的差別，晶體結(jié)構(gòu)不同，在氧化鋁陶瓷表面生長金剛石膜明顯存在以下問題(1)膜與基底在加熱或冷卻過程中容易產(chǎn)生剝落；(2)氧化鋁陶瓷表面較難形成金剛石晶核，不易形成大面積金剛石膜；(3)金剛石膜的連續(xù)性較差石墨相含量較高。為了解決以上問題一般采用在氧化鋁陶瓷基表面機(jī)械滲透金剛石微粉作為晶核劑，但很難使晶核劑均勻分布，從而使金剛石膜的均勻性受到影響。因此研究適合生長大面積金剛石膜的基底就成為當(dāng)前研究的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種能適合生長大面積金剛石薄膜的基底，并通過化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜，形成一種新型的氧化鋁—金剛石復(fù)合材料。
本發(fā)明的目的之二在于提供一種使金剛石顆粒彌散均勻分布于氧化鋁陶瓷體系中而形成復(fù)合基底的工藝方法。
本發(fā)明的目的之三在于提供一種新型的氧化鋁—金剛石復(fù)合材料的制造工藝全過程和方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料的制造方法，其特征在于先由金剛石微粉均勻分布于純氧化鋁陶瓷體系中構(gòu)成兩相共存的復(fù)合基底，然后在此復(fù)合基底上，用熱絲化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜，最終制成具有大面積金剛石薄膜的氧化鋁—金剛石復(fù)合材料；該方法包括有以下工藝步驟a.純氧化鋁陶瓷粉體的制備將納米高純(99.99％)氧化鋁粉體進(jìn)行煅燒轉(zhuǎn)相處理，煅燒溫度為1200-1300℃，且保溫1-3小時(shí)，然后在已煅燒的納米氧化鋁粉體中按其重量添加0.2-0.4％的氧化鎂和0.1-0.2％的氧化鑭，并放入氧化鋁球磨桶內(nèi)，以料∶球∶水＝1∶1.5∶1的比例加入純氧化鋁球和去離子水，以150-250轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間16-24小時(shí)，然后出料，進(jìn)行烘干；將烘干后的干料過60目標(biāo)準(zhǔn)篩，將所得粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，并置于硅碳棒電爐內(nèi)，在空氣氣氛下，進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為1200-1300℃，并保溫1-3小時(shí)，最終得合成的納米純氧化鋁陶瓷粉體；b.添加金剛石微粉在上述合成的納米氧化鋁陶瓷粉體中，按其重量加入1.0-5.0％的金剛石微粉，并裝入氧化鋁球磨桶內(nèi)，以料∶球∶液＝1∶1∶0.8的比例分別加入氧化鋁球和乙醇，以150-250轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間16-24小時(shí)，然后出料，進(jìn)行烘干；c.復(fù)合基體的制備將上述混合粉末裝入耐油塑料模內(nèi)，在15-25Mpa壓力下等靜壓，然后將料塊搗碎過20目標(biāo)準(zhǔn)篩，再將粉體裝入石墨模內(nèi)，在氬氣氣氛下，熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400-1440℃，且保溫60-80分鐘，最終得氧化鋁和金剛石組成的復(fù)合基體；d.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜，在上述的氧化鋁和金剛石組成的復(fù)合基體上，采用熱絲化學(xué)氣相沉積法沉積金剛石薄膜，得到厚度為10μm、光潔、致密的金剛石薄膜，最后制成一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料。
上述的一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料的制造方法，其特征在于所述的熱絲化學(xué)氣相沉積法，沉積金剛石薄膜的條件是鎢絲距離復(fù)合基體7mm，鎢絲溫度1950℃，復(fù)合基體溫度保持在800℃，輸入混合氣體中的乙醇和氫氣的體積比為0.8％，沉積室的氣壓為2.7Kpa，沉積時(shí)間為40小時(shí)。
本發(fā)明的工藝過程中，加入的氧化鎂和氧化鑭是作為燒結(jié)助劑而加入的。
由于純氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度很高(一般為1700-1800)，在此溫度下金剛石大量石墨化，因此在本發(fā)明方法中，采用高活性的納米粉體、添加燒結(jié)助劑、熱壓燒結(jié)等手段以有效降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，以防止金剛石的石墨化。
在熱壓燒結(jié)過程中，用氬氣氣氛保護(hù)，是為了防止金剛石氧化和石墨化。
同現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)1.由于在氧化鋁體系中加入金剛石微粉，解決了金剛石薄膜的成核劑問題，使大面積生長金剛石膜得以順利實(shí)現(xiàn)。
2.由于金剛石微粒均勻分布于復(fù)合基片中，可以有效減少金剛石膜的缺陷密度，使獲得的金剛石膜平整性好，性能優(yōu)于在普通氧化鋁基片上生長的金剛石膜。
3.由于氧化鋁/金剛石復(fù)合基底的膨脹系數(shù)比普通氧化鋁陶瓷明顯減小，縮小了金剛石膜與基底間膨脹系數(shù)之差，能有效防止膜的剝落。
4.由于氧化鋁/金剛石復(fù)合基片的熱導(dǎo)率較普通氧化鋁陶瓷高，從而用復(fù)合基片生長的金剛石膜上制成的集成電路的功率可以更大。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的實(shí)施例敘述于后實(shí)施例一本實(shí)施例的具體工藝步驟如下a.純氧化鋁陶瓷粉體的制備將納米高純(99.99％)氧化鋁粉體進(jìn)行煅燒轉(zhuǎn)相處理，煅燒溫度為1250℃，且保溫2小時(shí)，然后將已煅燒的納米氧化鋁粉體按其重量添加0.3％的氧化鎂和0.15％的氧化鑭，并放入氧化鋁球磨桶中，以料∶球∶水比為1∶1.5∶1的比例加入純氧化鋁球和去離子水，以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨，球磨時(shí)間20小時(shí)，然后出料烘干；將烘干后的干料過60目標(biāo)準(zhǔn)篩，將所得粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，并置于硅碳棒電爐內(nèi)，在空氣氣氛下進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為1250℃，并保溫2小時(shí)。得到合成的納米純氧化鋁陶瓷粉體。
b.添加金剛石微粉在合成的純氧化鋁陶瓷粉體中，按其重量加入1.0％、粒度分布為300-500nm的金剛石微粉，并裝入氧化鋁球磨桶內(nèi)，以料∶球∶液比為1∶1∶0.8的比例分別加入氧化鋁球和乙醇，以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為20小時(shí)，然后出料烘干，進(jìn)行烘干。
c.復(fù)合基體的燒結(jié)將上述混合粉末裝入耐油塑料模內(nèi)，在20MPa壓力下等靜壓，然后將料塊搗碎過20目標(biāo)準(zhǔn)篩，再將粉體裝入石墨模內(nèi)，氬氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1420℃，并保溫70分鐘，得到氧化鋁和金剛石組成的復(fù)合基體，復(fù)合基體的體積密度3.81g/cm3。
d.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜在上述方法制得的氧化鋁/金剛石組成的復(fù)合基體上采用熱絲化學(xué)氣相沉積法沉積金剛石薄膜，得到厚度為10μm、光潔、致密的金剛石薄膜，最后即制成一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料。
熱絲化學(xué)氣相沉積法沉積金剛石薄膜的工藝條件為鎢絲距離復(fù)合基體7mm、鎢絲溫度1950℃、復(fù)合基體溫度為800℃，輸入的混合氣體中，乙醇和氫氣的體積比為0.8％，沉積氣壓在2.7kPa，沉積時(shí)間40小時(shí)。
實(shí)施例二本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，所不同之處在于a.純氧化鋁陶瓷份體的制備將納米高純(99.99％)氧化鋁粉體進(jìn)行煅燒轉(zhuǎn)相處理，煅燒溫度為1250℃，且保溫2小時(shí)，然后將已煅燒的納米氧化鋁粉體按其重量添加0.4％的氧化鎂和0.2％的氧化鑭，并放入氧化鋁球磨桶中，以料∶球∶水比為1∶1.5∶1的比例加入純氧化鋁球和去離子水，以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨，球磨時(shí)間24小時(shí)，然后出料烘干；將烘干后的干料過60目標(biāo)準(zhǔn)篩，將所得粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，并置于硅碳棒電爐內(nèi)，在空氣氣氛下進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為1250℃，并保溫2小時(shí)。得到合成的納米純氧化鋁陶瓷體。
b.添加金剛石微粉在合成的純氧化鋁陶瓷粉體中，按其重量加入3.0％、粒度分布為300-500nm的金剛石微粉，并裝入氧化鋁球磨桶內(nèi)，以料∶球∶液比為1∶1∶0.8的比例分別加入氧化鋁球和乙醇，以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為20小時(shí)，然后出料烘干，進(jìn)行烘干。
c.復(fù)合基體的燒結(jié)將上述混合粉末裝入耐油塑料模內(nèi)，在20MPa壓力下等靜壓，然后將料塊搗碎過20目標(biāo)準(zhǔn)篩，再將粉體裝入石墨模內(nèi)，氬氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1420℃，并保溫70分鐘，得到氧化鋁和金剛石組成的復(fù)合基體，復(fù)合基體的體積密度3.78g/cm3。
d.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜在上述方法制得的氧化鋁/金剛石組成的復(fù)合基體上采用熱絲化學(xué)氣相沉積法沉積金剛石薄膜，得到厚度為10μm、光潔、致密的金剛石薄膜，最后即制成一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料。
實(shí)施例三本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，所不同之處在于a.純氧化鋁陶瓷粉體的制備將納米高純(99.99％)氧化鋁粉體進(jìn)行煅燒轉(zhuǎn)相處理，煅燒溫度為1250℃，且保溫2小時(shí)，然后將已煅燒的納米氧化鋁粉體按其重量添加0.2％的氧化鎂和0.1％的氧化鑭，并放入氧化鋁球磨桶中，以料∶球∶水比為1∶1.5∶1的比例加入純氧化鋁球和去離子水，以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨，球磨時(shí)間24小時(shí)，然后出料烘干；將烘干后的干料過60目標(biāo)準(zhǔn)篩，將所得粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，并置于硅碳棒電爐內(nèi)，在空氣氣氛下進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為1250℃，并保溫2小時(shí)。得到合成的納米純氧化鋁陶瓷粉體。
b.添加金剛石微粉在合成的純氧化鋁陶瓷體中，按其重量加入1.0％、粒度分布為300-500nm的金剛石微粉，并裝入氧化鋁球磨桶內(nèi)，以料∶球∶液比為1∶1∶0.8的比例分別加入氧化鋁球和乙醇，以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為20小時(shí)，然后出料烘干，進(jìn)行烘干。
c.復(fù)合基體的燒結(jié)將上述混合粉末裝入耐油塑料模內(nèi)，在200MPa壓力下等靜壓，然后將料塊搗碎過20目標(biāo)準(zhǔn)篩，再將粉體裝入石墨模內(nèi)，氬氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1420℃，并保溫70分鐘，得到氧化鋁和金剛石組成的復(fù)合基體，復(fù)合基體的體積密度3.78g/cm3。
d.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜在上述方法制得的氧化鋁/金剛石組成的復(fù)合基體上采用熱絲化學(xué)氣相沉積法沉積金剛石薄膜，得到厚度為10μm、光潔、致密的金剛石薄膜，最后即制成一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料。
本發(fā)明方法制得的具有大面積金剛石膜的氧化鋁陶瓷—金剛石復(fù)合材料完全適合于制作大規(guī)模集成電路的基片材料，可用作封裝管殼的基片材料。
通過拉曼光譜測試結(jié)果表明在本發(fā)明方法制備的氧化鋁/金剛石復(fù)合基底上生長的金剛石膜于1340cm-1附近呈尖銳的金剛石拉曼峰，與1550cm-1附近的非晶碳峰相比，金剛石相對(duì)純度達(dá)到99.2-99.7％，而在滲碳的氧化鋁基底上生長的金剛石膜在1550cm-1附近存在明顯的彌散形非晶碳峰，表明非金剛石相含量較高。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料的制造方法，其特征在于先由金剛石微粉均勻分布于純氧化鋁陶瓷體系中構(gòu)成兩相共存的復(fù)合基底，然后在此復(fù)合基底上，用熱絲化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜，最終制成具有大面積金剛石薄膜的氧化鋁—金剛石復(fù)合材料；該方法包括有以下工藝步驟a.純氧化鋁陶瓷粉體的制備將納米高純(99.99％)氧化鋁粉體進(jìn)行煅燒轉(zhuǎn)相處理，煅燒溫度為1200-1300℃，且保溫1-3小時(shí)，然后在已煅燒的納米氧化鋁粉體中按其重量添加0.2-0.4％的氧化鎂和0.1-0.2％的氧化鑭，并放入氧化鋁球磨桶內(nèi)，以料∶球∶水＝1∶1.5∶1的比例加入純氧化鋁球和去離子水，以150-250轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間16-24小時(shí)，然后出料，進(jìn)行烘干；將烘干后的干料過60目標(biāo)準(zhǔn)篩，將所得粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，并置于硅碳棒電爐內(nèi)，在空氣氣氛下進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為1200-1300℃，并保溫1-3小時(shí)，最終得合成的納米純氧化鋁陶瓷粉體；b.添加金剛石微粉在上述合成的納米氧化鋁陶瓷粉體中，按其重量加入1.0-5.0％的金剛石微粉，并裝入氧化鋁球磨桶內(nèi)，以料∶球∶液＝1∶1∶0.8的比例分別加入氧化鋁球和乙醇，以150-250轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間16-24小時(shí)，然后出料，進(jìn)行烘干；c.復(fù)合基體的制備將上述混合粉末裝入耐油塑料模內(nèi)，在15-25Mpa壓力下等靜壓，然后將料塊搗碎過20目標(biāo)準(zhǔn)篩，再將粉體裝入石墨模內(nèi)，在氬氣氣氛下，熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400-1440℃，且保溫60-80分鐘，最終得氧化鋁和金剛石組成的復(fù)合基體；d.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜在上述的氧化鋁和金剛石組成的復(fù)合基體上，采用熱絲化學(xué)氣相沉積法沉積金剛石薄膜，得到厚度為10μm、光潔、致密的金剛石薄膜，最后制成一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋁—金剛石復(fù)合材料的制造方法，其特征在于所述的熱絲化學(xué)氣相沉積法，沉積金剛石薄膜的條件是鎢絲距離復(fù)合基體7mm，鎢絲溫度1950℃，復(fù)合基體溫度保持在800℃，輸入混合氣體中的乙醇和氫氣的體積比為0.8％，沉積室的氣壓為2.7Kpa，沉積時(shí)間為40小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鋁－金剛石復(fù)合材料的制造方法，屬無機(jī)復(fù)合材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的制備工藝方法，其特征在于先由金剛石微粉均勻分布于純氧化鋁陶瓷體系中并通過熱壓燒結(jié)制成兩相共存的復(fù)合基底，然后在此復(fù)合基底上，用熱絲化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜，最終制成具有大面積金剛石薄膜的氧化鋁－金剛石復(fù)合材料；本發(fā)明的具體步驟包括純氧化鋁陶瓷體系的制備、添加助燒劑、合成煅燒、添加金剛石微粉、復(fù)合基底的熱壓燒結(jié)、化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜，最后制成本發(fā)明的新型氧化鋁－金剛石復(fù)合材料。本發(fā)明的復(fù)合材料適合于制作大規(guī)模集成電路的基片材料，可用作封裝管殼的基片材料。
文檔編號(hào)C04B35/10GK1623951SQ20041006778
公開日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月3日
發(fā)明者沈悅, 顧峰, 夏義本 申請(qǐng)人:上海大學(xué)