-
鄒小姐：13326633089 -
-
cac_sales@sina.com 
電子封裝材料的應用需要考慮兩大基本性能要求，首先是高的熱導率（Thermalconductivity，TC，實現熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩定工作；同時，封裝材料需要具有可調控的熱膨脹系數（CoefficientofThermalExpansion，CTE），從而與芯片和各級封裝材料保持匹配，降低熱應力的不良影響。而電子封裝材料的發展軌跡是對這兩項性能的不斷提高與優化。
一、高導熱封裝材料：“金剛石+金屬”復合材料
銅和鋁等金屬材料導熱性能良好，但熱膨脹系數高，溫度變化引起的熱應力會誘發電子元器件產生脆性裂紋，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，其室溫下的熱導率為700～2200W/（m·K），熱膨脹系數為0.8×10-6/K。根據混合法則，將金剛石顆粒加入Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體中制備的金剛石/金屬基復合材料，有望成為一種兼具低熱膨脹系數和高熱導率的新型電子封裝材料。
帶有銅涂層的金剛石/銅復合材料
以金剛石作為增強相的銅/金剛石（Cu/diamond）基復合材料在理論上熱導率可達1000W·m-1·K-1，是第三代封裝材料的5倍。這類金剛石/金屬復合材料被稱為第四代電子封裝材料。目前，金剛石／銅金屬基復合材料目前生產效率還較低，生產工藝還較復雜，成本過高，還未能大規模的使用。但綜合的看它的材料特性屬性，確實是“真香”。
二、金剛石/銅復合材料熱導率的影響因素
理論上，金剛石/銅復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復合材料應用于生產的實際熱導率較低，這主要是由于金剛石/銅復合材料加工技術不成熟及制備工藝復雜所致。綜合目前的研究工作，影響金剛石/Cu復合材料熱導率的影響因素可以概括為如下幾個方面。
1.銅基體的本征熱導率
銅基體的雜質量越低，本征熱導率就越高，如銅基體中鉻含量達到0.1%(at/at)時，熱導率降低到260W·m-1·K-1；而在制備復合材料時，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.金剛石的本征熱導率、體積分數、粒徑大小：
一般情況下，金剛石中氮含量越低，熱導率越高，晶型越完整，熱導率越高；因此應選擇晶型完整，氮含量低的金剛石作為復合材料的增強相；除此之外，金剛石表面受高溫、催化性元素等影響易轉變成導熱性差的類石墨相，嚴重影響金剛石的本征熱導率，從而影響復合材料的熱導率。
理論上，金剛石的體積分數越高，復合材料的熱導率就越高，事實上取決于制備工藝，采用熔滲法制備體積分數為60-65%的金剛石復合材料能夠實現較高的熱導率；金剛石粒徑也是影響復合材料熱導率的一個因素，研究發現納米級金剛石易團聚，制備的復合材料孔隙率高，熱導率較低，一般認為100-500μm金剛石復合材料能夠實現較高的熱導率。
3.界面熱導
界面熱導是評價復合材料界面結構對提高熱導率是否有利的重要標準，因此影響界面熱導的因素都決定著復合材料的熱導率。
除基體與增強體的本征熱導率、增強體含量及尺寸外，復合界面是特定材料體系中決定增強體導熱增強效果的關鍵因素。對于金剛石/Cu復合材料而言，Cu和金剛石的熱導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合材料熱導率方面具有明顯優勢，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應力分布等帶來巨大挑戰，嚴重制約產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復合材料獲得高導熱性能的關鍵。
對復合材料的制備而言，組元之間相互浸潤是進行復合的必要先行條件，是影響界面結構及界面結合狀態的重要因素。金剛石和Cu的界面互不潤濕狀況導致界面熱阻很高。因此，通過各種技術手段對兩者的界面進行改性研究十分關鍵。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，從而提高其熱傳導性能。2）銅基體的合金化處理，在材料的復合加工之前，對金屬銅進行預合金化處理，這樣可制得熱導率普遍較高的復合材料。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間隙得到修飾填充，從而提高了導熱性能。
三、制備方法
粉末冶金法、放電等離子燒結法和液相滲透法是目前制備金剛石/銅復合材料最理想的工藝，除這三種方法外，制備金剛石/銅復合材料的方法還有很多，例如化學沉積法、機械合金化法、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合材料的冶金方法.該法的主要生產工藝是先將所需金屬粉末和顆粒增強體等混合均勻，再將混料倒入成型模具中，最后在真空或氣體保護下燒結成預制備的材料。
日本科學家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得到金剛石體積分數為70％、熱導率為742W/(m·K)的金剛石/銅復合材料，他認為金剛石/銅復合材料的熱導率取決于金剛石的粒度和體積分數，而其熱膨脹系數僅取決于金剛石的體積分數。
2.放電等離子燒結法
放電等離子燒結法(Spark plasmasintering，SPS)是瞬間將高能電流脈沖施加到裝有粉末的模具上，讓粉末顆粒之間產生放電，使粉末均勻、活化、放電等離子燒結法具有燒結時間短，升溫、降溫速率快，燒結材料均勻的優點，因此受到廣泛關注.
張毓雋等采用放電等離子燒結法制備了熱導率為305W/(m·K)的金剛石/銅復合材料，并對復合材料的熱導率、致密度、熱膨脹系數進行了研究，當金剛石體積分數不斷升高時，復合材料熱膨脹系數不斷下降，當金剛石體積分數大于65％時，復合材料的致密度與熱導率明顯下降。
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下自發熔滲到增強體顆粒層中制備復合材料。此方法成本低，操作性強，在國內外得到廣泛應用。
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合材料致密度更易保障，但高壓易造成金剛石晶體缺陷進而影響復合材料熱導率。有壓輔助熔滲法對壓制模具要求較高，制備的復合材料形貌相對單一。無壓滲透法可通過改變模具形狀，制備不同形貌的復合材料，氣壓輔助滲透法相較于傳統的模壓輔助滲透法，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，所制備的復合材料顆粒分布更為均勻。
北京科技大學董應虎等利用無壓滲透法制備出金剛石體積分數36％~44％、致密度高達99.3％、熱導率為350W/(m·K)的金剛石/銅復合材料，對各種氣氛下無壓熔滲制備的復合材料進行性能測試，發現在真空氣氛下制備的復合材料熱導率最高，高純氬氣氣氛下制備的復合材料熱導率次之，在高純度氫氣氣氛下制備的復合材料熱導率最低，最優無壓熔滲溫度為1300-1400℃，最佳無壓熔滲時間為90-110min。
編輯：粉體圈Alpha
版權聲明：
本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。
