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​封装材料|金刚石/Cu复合材料导热能力虽强,但需要注意的真不少!
日期:2021-12-31    浏览次数:
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电子封装材料的应用需要考虑两大基本性能要求,首先是高的热导率Thermalconductivity,TC,实现热量的快速传递,保证芯片可以在理想的温度条件下稳定工作;同时,封装材料需要具有可调控的热膨胀系数CoefficientofThermalExpansion,CTE),从而与芯片和各级封装材料保持匹配,降低热应力的不良影响。而电子封装材料的发展轨迹是对这两项性能的不断提高与优化。

​封装材料|金刚石/Cu复合材料导热能力虽强,但需要注意的真不少!

一、高导热封装材料:金刚石+金属复合材料

铜和铝等金属材料导热性能良好,但热膨胀系数高,温度变化引起的热应力会诱发电子元器件产生脆性裂纹,降低元器件整体的可靠性。金刚石具有很好的综合热物理性能,其室温下的热导率为700~2200W/(m·K),热膨胀系数为0.8×10-6/K。根据混合法则,将金刚石颗粒加入Ag、Cu、Al等高导热金属基体中制备的金刚石/金属基复合材料,有望成为一种兼具低热膨胀系数和高热导率的新型电子封装材料。

​封装材料|金刚石/Cu复合材料导热能力虽强,但需要注意的真不少!

带有铜涂层的金刚石/铜复合材料

以金刚石作为增强相的铜/金刚石(Cu/diamond)基复合材料在理论上热导率可达1000W·m-1·K-1,是第三代封装材料的5倍。这类金刚石/金属复合材料被称为第四代电子封装材料。目前,金刚石/铜金属基复合材料目前生产效率还较低,生产工艺还较复杂,成本过高,还未能大规模的使用。但综合的看它的材料特性属性,确实是“真香”。

二、金刚石/铜复合材料热导率的影响因素

理论上,金刚石/铜复合材料的综合性能非常适合用于电子封装材料,但实际上金刚石/Cu复合材料应用于生产的实际热导率较低,这主要是由于金刚石/铜复合材料加工技术不成熟及制备工艺复杂所致。综合目前的研究工作,影响金刚石/Cu复合材料热导率的影响因素可以概括为如下几个方面。

1.铜基体的本征热导率

铜基体的杂质量越低,本征热导率就越高,如铜基体中铬含量达到0.1%(at/at)时,热导率降低到260W·m-1·K-1;而在制备复合材料时,不同的界面元素与铜基体接触后有不同的溶解度,一方面,界面元素溶解到基体中使基本本征热导率的下降;另一方面,界面元素溶解在铜基体中后在界面处形成的固溶体或者化合物对热量的传输是不利的

2.金刚石的本征热导率、体积分数、粒径大小:

一般情况下,金刚石中氮含量越低,热导率越高,晶型越完整,热导率越高;因此应选择晶型完整,氮含量低的金刚石作为复合材料的增强相;除此之外,金刚石表面受高温、催化性元素等影响易转变成导热性差的类石墨相,严重影响金刚石的本征热导率,从而影响复合材料的热导率。

理论上,金刚石的体积分数越高,复合材料的热导率就越高,事实上取决于制备工艺,采用熔渗法制备体积分数为60-65%的金刚石复合材料能够实现较高的热导率;金刚石粒径也是影响复合材料热导率的一个因素,研究发现纳米级金刚石易团聚,制备的复合材料孔隙率高,热导率较低,一般认为100-500μm金刚石复合材料能够实现较高的热导率

3.界面热导

界面热导是评价复合材料界面结构对提高热导率是否有利的重要标准,因此影响界面热导的因素都决定着复合材料的热导率

除基体与增强体的本征热导率、增强体含量及尺寸外,复合界面是特定材料体系中决定增强体导热增强效果的关键因素。对于金刚石/Cu复合材料而言,Cu和金刚石的热导率具有其理论局限性(一般分别不高于400和2000W/(m·K)。虽然理论和实验研究均表明,采用高含量、大粒径金刚石在提高复合材料热导率方面具有明显优势,但无限增加金刚石颗粒尺寸(一般不大于400μm)及体积含量(一般不超过70%)并不现实,且会给材料的成型致密化、尺寸精度、表面粗糙度、表面镀金处理及微区应力分布等带来巨大挑战,严重制约产品的成品率与适用性。因此,如何有效降低界面热阻是金刚石/Cu复合材料获得高导热性能的关键。

对复合材料的制备而言,组元之间相互浸润是进行复合的必要先行条件,是影响界面结构及界面结合状态的重要因素。金刚石和Cu的界面互不润湿状况导致界面热阻很高。因此,通过各种技术手段对两者的界面进行改性研究十分关键。目前,主要有两种方法改善金刚石与Cu基之间的界面问题:1)金刚石表面改性处理例如在增强相表层镀Mo、TiWCr等活性元素可改善金刚石界面特性,从而提高其热传导性能。2)铜基体的合金化处理,在材料的复合加工之前,对金属铜进行预合金化处理,这样可制得热导率普遍较高的复合材料。在铜基体中掺杂活性元素不仅可有效降低金刚石与铜之间的润湿角,还能在反应后于金刚石/Cu界面间生成可固溶于铜基的碳化物层,这样材料界面间存在的多数间隙得到修饰填充,从而提高了导热性能。

三、制备方法

粉末冶金法、放电等离子烧结法和液相渗透法是目前制备金刚石/铜复合材料最理想的工艺,除这三种方法外,制备金刚石/铜复合材料的方法还有很多,例如化学沉积法、机械合金化法、喷射沉积法、铸造法等。

1.粉末冶金法

粉末冶金法是一种直接混合金属粉末,在一定条件下制备复合材料的冶金方法.该法的主要生产工艺是先将所需金属粉末和颗粒增强体等混合均匀,再将混料倒入成型模具中,最后在真空或气体保护下烧结成预制备的材料。

日本科学家Yoshida利用高温高压的方法,使用粒径为90~110μm的金刚石颗粒,在1420~1470K的温度下,加压4.5GPa,退火15min得到金刚石体积分数为70%、热导率为742W/(m·K)的金刚石/铜复合材料,他认为金刚石/铜复合材料的热导率取决于金刚石的粒度和体积分数,而其热膨胀系数仅取决于金刚石的体积分数。

2.放电等离子烧结法

放电等离子烧结法(Spark plasmasintering,SPS)是瞬间将高能电流脉冲施加到装有粉末的模具上,让粉末颗粒之间产生放电,使粉末均匀、活化、放电等离子烧结法具有烧结时间短,升温、降温速率快,烧结材料均匀的优点,因此受到广泛关注.

张毓隽等采用放电等离子烧结法制备了热导率为305W/(m·K)的金刚石/铜复合材料,并对复合材料的热导率、致密度、热膨胀系数进行了研究,当金刚石体积分数不断升高时,复合材料热膨胀系数不断下降,当金刚石体积分数大于65%时,复合材料的致密度与热导率明显下降。

3.液相渗透法

液相渗透法分为无压渗透法和有压辅助渗透法其中有压辅助渗透法又分为气压辅助渗透法和模压辅助渗透法美国的Lanxide公司最早开发出无压渗透法此方法是将纯金属或合金金属基体放入加热炉中加热到其熔点以上使得金属液在无压状态下自发熔渗到增强体颗粒层中制备复合材料此方法成本低操作性强在国内外得到广泛应用

无压渗透法和有压辅助渗透法均能制备出理想的金刚石/铜复合材料无压渗透法对金刚石与铜之间界面润湿性的要求极高金刚石与铜之间过渡层必须均匀且完整相较于有压辅助熔渗无压渗透法的熔渗时间较长有压辅助熔渗制备复合材料致密度更易保障但高压易造成金刚石晶体缺陷进而影响复合材料热导率有压辅助熔渗法对压制模具要求较高制备的复合材料形貌相对单一无压渗透法可通过改变模具形状制备不同形貌的复合材料气压辅助渗透法相较于传统的模压辅助渗透法气体压力分布更为均匀减少了金刚石颗粒在加压过程中的偏移所制备的复合材料颗粒分布更为均匀

北京科技大学董应虎等利用无压渗透法制备出金刚石体积分数36~44%、致密度高达99.3%、热导率为350W/(m·K)的金刚石/铜复合材料对各种气氛下无压熔渗制备的复合材料进行性能测试发现在真空气氛下制备的复合材料热导率最高高纯氩气气氛下制备的复合材料热导率次之在高纯度氢气气氛下制备的复合材料热导率最低最优无压熔渗温度为1300-1400最佳无压熔渗时间为90-110min


编辑:粉体圈Alpha

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