新型金剛石/銅基復(fù)合材料粗化液的應(yīng)用

帥和平

（深圳瑞世興科技有限公司新材料研發(fā)部，廣東 深圳 518100）

電子封裝是把構(gòu)成電子器件或集成電路的各個(gè)部件按規(guī)定的要求實(shí)現(xiàn)合理布置、組裝、鍵合、連接、與環(huán)境隔離和保護(hù)的操作工藝，它要求所使用的封裝材料既有高的導(dǎo)熱率，又有低的熱膨脹率，而且起到機(jī)械支撐、電氣連接、物理保護(hù)、外場(chǎng)屏蔽、應(yīng)力緩和、散熱防潮、尺寸過(guò)渡以及穩(wěn)定元件參數(shù)的作用。在Cu、W-Cu、Al/SiC 和金剛石/銅復(fù)合材料[1]等封裝材料中，金剛石/銅復(fù)合材料因其具有熱導(dǎo)率高[2]、密度小[3-4]、熱膨脹系數(shù)低[5]等優(yōu)點(diǎn)，在電子[6]、機(jī)械[7]、航空航天[8]等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

金剛石/銅復(fù)合材料屬于非極性物質(zhì)，其表面若采用傳統(tǒng)的粗化處理方法(即采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀硝酸溶液煮沸處理)，則由于金剛石與水等極性介質(zhì)之間的浸潤(rùn)性差，且稀硝酸與金剛石/銅復(fù)合材料容易發(fā)生氧化反應(yīng)，因而造成金剛石/銅復(fù)合材料的大量流失，使得后續(xù)化學(xué)鍍存在漏鍍和結(jié)合力差等問(wèn)題。

本文研究了一種新型粗化液(產(chǎn)品代號(hào)JG-01)，它改善了金剛石/銅復(fù)合材料的親水效果，還可以縮短預(yù)處理過(guò)程，提高了鍍覆效率和質(zhì)量。由于其具有強(qiáng)堿性和強(qiáng)氧化性，可以氧化并溶解金剛石/銅復(fù)合材料表面的雜質(zhì)，卻不存在“咬銅”反應(yīng)，可以滿足粗化要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

金剛石/銅基復(fù)合材料，深圳市瑞世興科技有限公司；亞硝酸鈉，分析純，濟(jì)寧匯德化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，濟(jì)寧佰一化工有限公司；三乙醇胺，分析純，南京化學(xué)試劑股份有限公司；過(guò)氧化碳酰胺，分析純，濟(jì)南魯準(zhǔn)商貿(mào)有限公司；高鐵酸鉀，分析純，泰興市建生精細(xì)生物科技有限公司；硝酸，分析純，市售；去離子水，自制。

1.2 儀器

TE214S 電子天平，賽伯樂(lè)(上海)儀器有限公司；DHG-9025A 型恒溫干燥箱，上海和呈儀器制造有限公司；加熱板，鹽城市軒源加熱設(shè)備科技有限公司；JB-1036A 型超聲波清洗器，東莞市錦邦自動(dòng)化設(shè)備有限公司；TX 型光學(xué)顯微鏡，深圳市西派克光學(xué)儀器有限公司；53655 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，費(fèi)爾伯恩精密儀器(上海)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 JG-01 型粗化液的配制

稱取5 g 亞硝酸鈉、5 g 氫氧化鈉、0.3 g 三乙醇胺、0.4 g 過(guò)氧化碳酰胺、0.5 g 高鐵酸鉀，溶于88.8 g 去離子水中，在25 °C 下用玻璃棒攪拌均勻。

1.3.2 金剛石/銅基復(fù)合材料的粗化

(1) JG-01 型粗化液對(duì)金剛石/銅基復(fù)合材料的粗化方法：將清洗后的金剛石/銅基復(fù)合材料放入粗化液中，在40 ～ 55 °C 下用玻璃棒攪拌溶液，使金剛石/銅基復(fù)合材料懸浮在粗化液中，5 ～ 10 min 后，用去離子水洗至中性。

(2) 傳統(tǒng)粗化方法：將清洗后的金剛石/銅基復(fù)合材料放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀硝酸溶液中煮沸30 min，然后用去離子水洗至中性。

1.3.3 化學(xué)鍍鎳工藝

將金剛石/銅復(fù)合材料加入到鍍鎳槽中進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，反應(yīng)溫度50 °C，反應(yīng)時(shí)間80 min。鍍鎳液組成如下：硫酸鎳(NiSO4·6H2O)30 g/L，次磷酸鈉(NaH2PO2·H2O)27 g/L，配位劑28 mL/L，添加劑2 g/L，穩(wěn)定劑適量。

1.4 性能測(cè)試

(1) 耐熱性試驗(yàn)：將測(cè)試樣品放在加熱板上加熱至300 °C，烘烤30 min 后將試樣取出，觀察鍍層是否起泡。

(2) 結(jié)合力試驗(yàn)：將測(cè)試樣品放在加熱板上加熱至250 °C，30 min 后將試樣置于冷水中，重復(fù)試驗(yàn)3 次，觀察試樣表面是否有脫落現(xiàn)象。

(3) 外觀檢測(cè)：通過(guò)目測(cè)法觀察測(cè)試樣品表面鍍層是否完整，是否存在漏鍍現(xiàn)象。

(4) 掃描電鏡分析：采用53655 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)金剛石/銅基復(fù)合材料粗化前后的形貌進(jìn)行觀察，采用TX 型光學(xué)顯微鏡對(duì)金剛石/銅基復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳后的形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 金剛石/銅復(fù)合材料粗化前后表面形貌的對(duì)比

JG-01 型粗化液中的強(qiáng)氧化劑能使金剛石/銅基復(fù)合材料表面同時(shí)發(fā)生氧化和還原作用，在金剛石/銅基復(fù)合材料表面生成較多的極性基團(tuán)及使非極性分子極化，極大地提高了金剛石/銅基復(fù)合材料表面的親水性，有利于表面鍍覆反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高鍍層與基體的結(jié)合力。金剛石/銅基復(fù)合材料粗化前后的表面形貌見(jiàn)圖1(放大2 000 倍)。

圖1 金剛石/銅基復(fù)合材料粗化前、后的SEM 照片F(xiàn)igure 1 SEM images of diamond/copper matrix composite materials before and after coarsening

從圖1 可以看出，采用粗化液粗化后，材料表面的粗糙度提高。但是采用不同的粗化液進(jìn)行粗化處理時(shí)，金剛石/銅基復(fù)合材料表面的粗化程度不一樣。圖1c 中復(fù)合材料的粗化程度明顯優(yōu)于圖1b。這表明金剛石/銅基復(fù)合材料表面在JG-01 粗化液中的強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化性物質(zhì)的作用下，形成了一層微小均勻的“凹”狀孔，網(wǎng)絡(luò)更明顯，粗化程度高。這些微小凹面更有利于后續(xù)化學(xué)鍍的進(jìn)行。

2.2 金剛石/銅基復(fù)合材料粗化后化學(xué)鍍鎳表面形貌的對(duì)比

金剛石/銅基復(fù)合材料經(jīng)傳統(tǒng)粗化液和JG-01 型粗化液粗化后化學(xué)鍍鎳，鍍鎳層的表面形貌照片見(jiàn)圖2(放大500 倍)。在圖2a 中，金剛石/銅復(fù)合材料表面化學(xué)鍍鎳層均勻、平整，包覆良好，無(wú)漏鍍現(xiàn)象，鍍鎳效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)粗化后鍍鎳。

圖2 金剛石/銅基復(fù)合材料分別由兩種工藝粗化后得到的化學(xué)鍍鎳層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of the electroless nickel deposits obtained on the surface of diamond/copper matrix composites coarsened by two different processes, respectively

2.3 金剛石/銅基復(fù)合材料經(jīng)2 種粗化工藝處理后化學(xué)鍍鎳的性能對(duì)比

金剛石/銅基復(fù)合材料經(jīng)2 種粗化工藝處理后化學(xué)鍍鎳得到的鍍鎳層的性能對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥闯?，金剛石/銅基復(fù)合材料經(jīng)JG-01 型粗化液粗化后所得到的鍍鎳層的性能得到改善，很好地解決了傳統(tǒng)粗化液粗化后存在的鍍層光亮性、結(jié)合力、均勻性和耐熱性差，以及漏鍍等缺陷。

表1 2 種粗化工藝對(duì)金剛石/銅基復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳層性能的影響Table 1 Effects of two coarsening processes on properties of electroless nickel deposit on the surface of diamond/copper matrix composites

3 結(jié)論

(1) 將5 g 亞硝酸鈉、5 g 氫氧化鈉、0.3 g 三乙醇胺、0.4 g 過(guò)氧化碳酰胺和0.5 g 高鐵酸鉀溶于88.8 g 去離子水中，研制了適用于金剛石/銅基復(fù)合材料的JG-01 型粗化液。新型粗化液粗化程度高，粗化效果優(yōu)于傳統(tǒng)粗化液，更有利于后續(xù)化學(xué)鍍鎳的進(jìn)行。

(2) 金剛石/銅基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)JG-01 型粗化液粗化后化學(xué)鍍鎳，所得鍍鎳層包覆完整、均勻、光亮，無(wú)漏鍍現(xiàn)象，具有較好的結(jié)合力和耐熱性能。

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