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鄒小姐：13326633089 -
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電子封裝材料的應(yīng)用需要考慮兩大基本性能要求，首先是高的熱導(dǎo)率（Thermalconductivity，TC，實現(xiàn)熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩(wěn)定工作；同時，封裝材料需要具有可調(diào)控的熱膨脹系數(shù)（CoefficientofThermalExpansion，CTE），從而與芯片和各級封裝材料保持匹配，降低熱應(yīng)力的不良影響。而電子封裝材料的發(fā)展軌跡是對這兩項性能的不斷提高與優(yōu)化。
一、高導(dǎo)熱封裝材料：“金剛石+金屬”復(fù)合材料
銅和鋁等金屬材料導(dǎo)熱性能良好，但熱膨脹系數(shù)高，溫度變化引起的熱應(yīng)力會誘發(fā)電子元器件產(chǎn)生脆性裂紋，降低元器件整體的可靠性。金剛石具有很好的綜合熱物理性能，其室溫下的熱導(dǎo)率為700～2200W/（m·K），熱膨脹系數(shù)為0.8×10-6/K。根據(jù)混合法則，將金剛石顆粒加入Ag、Cu、Al等高導(dǎo)熱金屬基體中制備的金剛石/金屬基復(fù)合材料，有望成為一種兼具低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率的新型電子封裝材料。
帶有銅涂層的金剛石/銅復(fù)合材料
以金剛石作為增強(qiáng)相的銅/金剛石（Cu/diamond）基復(fù)合材料在理論上熱導(dǎo)率可達(dá)1000W·m-1·K-1，是第三代封裝材料的5倍。這類金剛石/金屬復(fù)合材料被稱為第四代電子封裝材料。目前，金剛石／銅金屬基復(fù)合材料目前生產(chǎn)效率還較低，生產(chǎn)工藝還較復(fù)雜，成本過高，還未能大規(guī)模的使用。但綜合的看它的材料特性屬性，確實是“真香”。
二、金剛石/銅復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響因素
理論上，金剛石/銅復(fù)合材料的綜合性能非常適合用于電子封裝材料，但實際上金剛石/Cu復(fù)合材料應(yīng)用于生產(chǎn)的實際熱導(dǎo)率較低，這主要是由于金剛石/銅復(fù)合材料加工技術(shù)不成熟及制備工藝復(fù)雜所致。綜合目前的研究工作，影響金剛石/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響因素可以概括為如下幾個方面。
1.銅基體的本征熱導(dǎo)率
銅基體的雜質(zhì)量越低，本征熱導(dǎo)率就越高，如銅基體中鉻含量達(dá)到0.1%(at/at)時，熱導(dǎo)率降低到260W·m-1·K-1；而在制備復(fù)合材料時，不同的界面元素與銅基體接觸后有不同的溶解度，一方面，界面元素溶解到基體中使基本本征熱導(dǎo)率的下降；另一方面，界面元素溶解在銅基體中后在界面處形成的固溶體或者化合物對熱量的傳輸是不利的。
2.金剛石的本征熱導(dǎo)率、體積分?jǐn)?shù)、粒徑大小：
一般情況下，金剛石中氮含量越低，熱導(dǎo)率越高，晶型越完整，熱導(dǎo)率越高；因此應(yīng)選擇晶型完整，氮含量低的金剛石作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相；除此之外，金剛石表面受高溫、催化性元素等影響易轉(zhuǎn)變成導(dǎo)熱性差的類石墨相，嚴(yán)重影響金剛石的本征熱導(dǎo)率，從而影響復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
理論上，金剛石的體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率就越高，事實上取決于制備工藝，采用熔滲法制備體積分?jǐn)?shù)為60-65%的金剛石復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)較高的熱導(dǎo)率；金剛石粒徑也是影響復(fù)合材料熱導(dǎo)率的一個因素，研究發(fā)現(xiàn)納米級金剛石易團(tuán)聚，制備的復(fù)合材料孔隙率高，熱導(dǎo)率較低，一般認(rèn)為100-500μm金剛石復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)較高的熱導(dǎo)率。
3.界面熱導(dǎo)
界面熱導(dǎo)是評價復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)對提高熱導(dǎo)率是否有利的重要標(biāo)準(zhǔn)，因此影響界面熱導(dǎo)的因素都決定著復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
除基體與增強(qiáng)體的本征熱導(dǎo)率、增強(qiáng)體含量及尺寸外，復(fù)合界面是特定材料體系中決定增強(qiáng)體導(dǎo)熱增強(qiáng)效果的關(guān)鍵因素。對于金剛石/Cu復(fù)合材料而言，Cu和金剛石的熱導(dǎo)率具有其理論局限性（一般分別不高于400和2000W/(m·K）。雖然理論和實驗研究均表明，采用高含量、大粒徑金剛石在提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率方面具有明顯優(yōu)勢，但無限增加金剛石顆粒尺寸（一般不大于400μm）及體積含量（一般不超過70%）并不現(xiàn)實，且會給材料的成型致密化、尺寸精度、表面粗糙度、表面鍍金處理及微區(qū)應(yīng)力分布等帶來巨大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約產(chǎn)品的成品率與適用性。因此，如何有效降低界面熱阻是金剛石/Cu復(fù)合材料獲得高導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。
對復(fù)合材料的制備而言，組元之間相互浸潤是進(jìn)行復(fù)合的必要先行條件，是影響界面結(jié)構(gòu)及界面結(jié)合狀態(tài)的重要因素。金剛石和Cu的界面互不潤濕狀況導(dǎo)致界面熱阻很高。因此，通過各種技術(shù)手段對兩者的界面進(jìn)行改性研究十分關(guān)鍵。目前，主要有兩種方法改善金剛石與Cu基之間的界面問題：1）金剛石表面改性處理，例如在增強(qiáng)相表層鍍Mo、Ti、W、Cr等活性元素可改善金剛石界面特性，從而提高其熱傳導(dǎo)性能。2）銅基體的合金化處理，在材料的復(fù)合加工之前，對金屬銅進(jìn)行預(yù)合金化處理，這樣可制得熱導(dǎo)率普遍較高的復(fù)合材料。在銅基體中摻雜活性元素不僅可有效降低金剛石與銅之間的潤濕角，還能在反應(yīng)后于金剛石/Cu界面間生成可固溶于銅基的碳化物層，這樣材料界面間存在的多數(shù)間隙得到修飾填充，從而提高了導(dǎo)熱性能。
三、制備方法
粉末冶金法、放電等離子燒結(jié)法和液相滲透法是目前制備金剛石/銅復(fù)合材料最理想的工藝，除這三種方法外，制備金剛石/銅復(fù)合材料的方法還有很多，例如化學(xué)沉積法、機(jī)械合金化法、噴射沉積法、鑄造法等。
1.粉末冶金法
粉末冶金法是一種直接混合金屬粉末，在一定條件下制備復(fù)合材料的冶金方法.該法的主要生產(chǎn)工藝是先將所需金屬粉末和顆粒增強(qiáng)體等混合均勻，再將混料倒入成型模具中，最后在真空或氣體保護(hù)下燒結(jié)成預(yù)制備的材料。
日本科學(xué)家Yoshida利用高溫高壓的方法，使用粒徑為90~110μm的金剛石顆粒，在1420~1470K的溫度下，加壓4.5GPa，退火15min得到金剛石體積分?jǐn)?shù)為70％、熱導(dǎo)率為742W/(m·K)的金剛石/銅復(fù)合材料，他認(rèn)為金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率取決于金剛石的粒度和體積分?jǐn)?shù)，而其熱膨脹系數(shù)僅取決于金剛石的體積分?jǐn)?shù)。
2.放電等離子燒結(jié)法
放電等離子燒結(jié)法(Spark plasmasintering，SPS)是瞬間將高能電流脈沖施加到裝有粉末的模具上，讓粉末顆粒之間產(chǎn)生放電，使粉末均勻、活化、放電等離子燒結(jié)法具有燒結(jié)時間短，升溫、降溫速率快，燒結(jié)材料均勻的優(yōu)點，因此受到廣泛關(guān)注.
張毓雋等采用放電等離子燒結(jié)法制備了熱導(dǎo)率為305W/(m·K)的金剛石/銅復(fù)合材料，并對復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、致密度、熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了研究，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)不斷升高時，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不斷下降，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)大于65％時，復(fù)合材料的致密度與熱導(dǎo)率明顯下降。
3.液相滲透法
液相滲透法分為無壓滲透法和有壓輔助滲透法，其中有壓輔助滲透法又分為氣壓輔助滲透法和模壓輔助滲透法。美國的Lanxide公司最早開發(fā)出無壓滲透法，此方法是將純金屬或合金金屬基體放入加熱爐中加熱到其熔點以上，使得金屬液在無壓狀態(tài)下自發(fā)熔滲到增強(qiáng)體顆粒層中制備復(fù)合材料。此方法成本低，操作性強(qiáng)，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。
無壓滲透法和有壓輔助滲透法均能制備出理想的金剛石/銅復(fù)合材料。無壓滲透法對金剛石與銅之間界面潤濕性的要求極高，金剛石與銅之間過渡層必須均勻且完整，相較于有壓輔助熔滲，無壓滲透法的熔滲時間較長。有壓輔助熔滲制備復(fù)合材料致密度更易保障，但高壓易造成金剛石晶體缺陷進(jìn)而影響復(fù)合材料熱導(dǎo)率。有壓輔助熔滲法對壓制模具要求較高，制備的復(fù)合材料形貌相對單一。無壓滲透法可通過改變模具形狀，制備不同形貌的復(fù)合材料，氣壓輔助滲透法相較于傳統(tǒng)的模壓輔助滲透法，氣體壓力分布更為均勻，減少了金剛石顆粒在加壓過程中的偏移，所制備的復(fù)合材料顆粒分布更為均勻。
北京科技大學(xué)董應(yīng)虎等利用無壓滲透法制備出金剛石體積分?jǐn)?shù)36％~44％、致密度高達(dá)99.3％、熱導(dǎo)率為350W/(m·K)的金剛石/銅復(fù)合材料，對各種氣氛下無壓熔滲制備的復(fù)合材料進(jìn)行性能測試，發(fā)現(xiàn)在真空氣氛下制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率最高，高純氬氣氣氛下制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率次之，在高純度氫氣氣氛下制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率最低，最優(yōu)無壓熔滲溫度為1300-1400℃，最佳無壓熔滲時間為90-110min。
編輯：粉體圈Alpha
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