技術領域

本發明屬于材料技術領域，涉及碳微納米材料與氮化鋁的復合薄膜的制備方法。

技術背景

隨著微電子技術的不斷發展，微電子集成度不斷提高，功率密度不斷增大，集成散熱也成為了提高微電子器件可靠性必須解決的問題。氮化鋁（AlN）薄膜由于其絕緣性好、介電常數大、熱導率高、與硅匹配的熱膨脹系數等優勢，也成為了微電子器件散熱涂層材料的主要研究對象之一，但是國內外所報道的AlN薄膜的熱導率與塊材有相當大的差別。而通過添加高熱導率的微納米材料（碳納米管、金剛石粉、金屬微粉等）來提高整體材料熱導率的方法受到了許多的研究，尤其是以環氧樹脂等有機材料為基體的復合高熱導率材料已廣泛應用于微電子封裝工藝中。但是在如AlN等無機材料薄膜中添加高熱導率的碳基微納米材料來提高熱導率的仍少見報道，主要是在合成這類復合材料的工藝仍存在一定難度。而本發明即利用高熱導率的碳微納米材料（碳納米管、金剛石粉）對AlN薄膜進行添加改性，得到高熱導率的復合薄膜。

目前，制備AlN薄膜常見的方法有射頻磁控濺射、激光脈沖沉積、分子束外延、化學氣相沉積、溶膠凝膠法和高分子輔助沉積法等。相比較于其他制備AlN薄膜的物理方法而言，高分子輔助法具有設備簡單、操作簡便、低成本等優點獲得廣泛的關注，而更主要的是高分子輔助沉積法利于制備碳微納米材料摻雜的AlN薄膜，而避免了物理方法中，微納米材料難以摻入到AlN薄膜中的難題。本發明基于滲透理論（percolation?theory）、有效勻質理論（effective?media?theory，EMT）等理論以及高分子輔助沉積法添加微納米材料的實驗可行性，利用高分子輔助沉積法制備了碳微納米材料/AlN復合薄膜。

發明內容

本發明旨在提供一種基于水溶劑化學溶液法制備碳微納米材料與AlN的復合薄膜的方法，該方法通過將五水硝酸鋁、表面處理過的碳微納米材料溶于水溶性聚合物溶液中，通過旋涂、熱處理最終成膜。在熱處理過程在高溫管式爐中完成，用氨氣提供氮源，通過對還原性氣氛和氨氣的調控實現薄膜的制備。本發明能夠獲得熱導率較同等條件下制備的未摻雜的AlN薄膜更高的碳微納米材料/AlN復合薄膜。

本發明具體技術方案是：

一種碳微納米材料與AlN的復合薄膜的制備方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：配制鋁聚合物水溶液。首先將帶有堿性基團的水溶性聚合物（如聚乙烯亞胺）溶于水，得到溶液A（呈淺黃色）；然后往溶液A中加入氫氟酸，得到溶液B（同樣呈淺黃色）；最后往溶液B中緩慢加入五水硝酸鋁，攪拌至溶液澄清透明，得到鋁聚合物溶液C。

步驟2：獲得碳微納米材料與鋁的復合前驅液。采用超濾裝置，利用高壓普氮，濾去鋁聚合物溶液C中大部分水和游離的離子，得到濃縮的鋁高分子前驅溶液。將表面處理過的碳微納米材料按照C:Al=1:10~30的質量比添加于濃縮的鋁高分子前驅溶液中（其中，若碳微納米材料采用金剛石粉，則金剛石粉用HF進行表面處理；若碳微納米材料采用碳納米管，則碳納米管用濃H₂SO₄:濃HNO₃=3:1的混合酸進行處理），并超聲使碳微納米材料分散，從而得到碳微納米材料與鋁的復合前驅液。

步驟3：旋涂碳微納米材料與鋁的復合前驅液于基片。將步驟2所得碳微納米材料與鋁的復合前驅液旋涂于清潔的基片表面。目標產物碳微納米材料與AlN的復合薄膜的厚度通過多次旋涂加以控制。

步驟4：熱處理，獲得碳微納米材料與AlN的復合薄膜。將步驟3旋涂了碳微納米材料與鋁的復合前驅液的基片在還原性氣氛中升溫至700~1200℃，然后在氨氣氣氛下熱處理1小時及以上，冷卻后得到最終的碳微納米材料與AlN的復合薄膜。

需要說明的是：

1、本發明所述熱處理過程的實現裝置可采用高溫管式爐，其中還原氣氛可采用氫氣和氮氣的混合氣體。

2、本發明在熱處理燒結過程在采用高溫管式爐中完成，采用還原性氣體為保護氣體，并由氨氣提供氮源，最終實現碳微納米材料/AlN復合薄膜的制備。

綜上所述，本發明提供的基于溶液法的碳微納米材料與AlN的復合薄膜的制備方法，能夠獲得熱導率優于AlN薄膜的復合薄膜，同時具有良好的工藝可控性和重復性。

附圖說明

圖1為本發明流程示意圖。