电子封装用金刚石/铜基复合材料的研究

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金刚石/铜基复合材料由于具有高热导率、热膨胀系数可调和低密度等优点而被认为是电子封装材料的发展方向之一。因为高热导率可及时将电子元器件在工作时产生的热量排出去以降低其工作温度而增加其工作稳定性,热膨胀系数可调能降低热应力,改善各元器件之间、元器件与基板之间的相容性。这是研究金刚石/铜基复合材料的实用价值。 目前制备高体积分数颗粒增强金属基复合材料的主要方法有粉末冶金和熔渗等多种方法,通过比较,粉末冶金法有工艺简单、制备的复合材料致密度较高、缺陷少等优点,有利于保证材料的热导率。因此本文主要研究采用粉末冶金法制备金刚石/铜基复合材料,考察的主要性能指标为复合材料的热导率。 我们首先采用常压烧结法制备金刚石体积分数为50%的金刚石/铜基复合材料。其工艺参数为:烧结温度900℃,烧结时间3h。结果发现其热导率不高,只有120W·m—1K—1。进一步分析发现出现该问题的主要原因是其致密度不高。针对存在的问题我们进行了工艺路线的改进,采用高压烧结法制备金刚石体积分数为50%的金刚石/铜基复合材料,其压力在3~5GPa可调,并系统探索了制备过程中温度、压力和时间对复合材料热导率的影响,结果表明:随着压力的增大,复合材料的热导率提高,但是超过4.5GPa时,由于压力造成部分金刚石颗粒的破碎而影响复合材料的热导率;随着温度的升高,复合材料的热导率也随着增加,但是超过1140℃时,由于金刚石部分石墨化而影响复合材料的热导率;随着时间的增加,复合材料的热导率有所提高,但是超过15min,复合材料的热导率却下降。经分析得到:较好的制备金刚石/铜基复合材料的制备工艺参数为:压力4.5GPa,温度1140℃,时间15min。 同时还考察了金刚石颗粒体积分数、颗粒粒度等材料参数对复合材料热导率的影响。结果表明:在目前金刚石和铜的界面尚未得到较好控制的情况下,由于金刚石与铜不润湿,且金刚石和铜之间的界面热阻较大,因而随着金刚石体积分数的增加,复合材料的热导率降低;在金刚石体积分数不变的情况下,使用粒度较大的金刚石颗粒能够减少界面,从而减少界面热阻对复合材料热导率性能的影响,因此随着金刚石粒度的增大,复合材料的热导率提高。综合考虑材料的热导率、热膨胀系数与密度等性能,复合材料中金刚石较合适的材料参数为:体积分数50%,颗粒粒度120/140目。 在上述较好的工艺及材料参数下,制备出了组织致密的金刚石/铜基复合材料,其热导率达到244W*m—1K—1。远远高于目前使用的电子封装用复合材料的热导率,具有较好的应用前景。
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