金剛石在電子元器件封裝材料中的應(yīng)用final

1、金剛石顆粒復(fù)合封裝材料的研究與進(jìn)展何靜遠(yuǎn) 栗正新河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 摘要: 本文簡單總結(jié)了目前金剛石在電子封裝材料中的國內(nèi)外研究開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀，概要介紹了其在封裝材料中的基本作用和原理，重點(diǎn)探討了金剛石在封裝材料中應(yīng)用的發(fā)展趨勢和對超硬材料及制品行業(yè)的影響。關(guān)鍵詞：電子封裝材料；金剛石；復(fù)合材料；綜述 1 引言電子封裝材料是用于承載電子元器件，起機(jī)械支持、密封保護(hù)、散失熱量等作用，并具有良好電絕緣性的基體材料。隨著電子元件集成度越來越高，器件發(fā)熱量迅速增加，最高功率可達(dá)1010W/m2。微處理器及功率半導(dǎo)體器件在應(yīng)用中常常因?yàn)闇囟冗^高而無法正常工作。電子器件的散熱問題是電子信息產(chǎn)業(yè)

2、發(fā)展面臨的技術(shù)瓶頸之一1-2。以往的傳統(tǒng)材料已不能滿足更高的性能要求，研制開發(fā)新型的電子封裝材料已成為各國競相追求的目標(biāo)。電子封裝材料經(jīng)過了W/Cu， Mo/Cu等第一代傳統(tǒng)電子封裝材料，和以SiCp/Al，SiCp/Cu等復(fù)合材料為代表的第二代電子封裝材料。目前各國正積極開展以高導(dǎo)熱率的金剛石、高定向熱解石墨（HOPG）、高導(dǎo)熱碳纖維等作增強(qiáng)相的第三代電子封裝材料研究，其中HOPG及高導(dǎo)熱碳纖維存在各向異性，而且生產(chǎn)成本較高。金剛石的熱導(dǎo)率是目前發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)中最高的，其室溫條件下可達(dá)2200 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)為0.8×10-6/K，且制備的封裝材料不存在各向異性，

3、是最有發(fā)展?jié)摿Φ臒峁芾聿牧现弧＝陙黼S著人造金剛石生產(chǎn)成本大幅下降，國外一些公司已開始利用原材料價(jià)格較低的金剛石單晶來制備金剛石/金屬復(fù)合材料，以此獲得高導(dǎo)熱、低膨脹的理想封裝材料3。2 國內(nèi)外發(fā)展概括2.1 硼玻璃基金剛石復(fù)合封裝材料有研究者以高導(dǎo)熱的金剛石材料等為增強(qiáng)相，以硼玻璃為基體材料制備了新型復(fù)合材料，并通過氧化物Cu2O鍍層擴(kuò)散到玻璃相中擴(kuò)散，提高界面連接強(qiáng)度，增加熱導(dǎo)率，但是Cu2O 鍍層和基體浸潤性差，界面連接性強(qiáng)度低，導(dǎo)致燒結(jié)致密度較低，金剛石改良效果不佳4。通過對金剛石表面鍍鈦，再對鍍鈦金剛石顆粒經(jīng)過敏化和活化處理，再進(jìn)行化學(xué)鍍銅處理，將處理過的金剛石顆粒和玻璃粉在放電等

4、離子燒結(jié)機(jī)中進(jìn)行燒結(jié)，得到熱導(dǎo)率較高的金剛石/玻璃基封裝材料5-6。但制備的試樣的金剛石含量較高，成為限制致密度的一個重要的因素。并且改善金剛石與硼玻璃基體的界面結(jié)合情況成為提高復(fù)合材料性能的關(guān)鍵問題。2.2 金剛石/碳化硅復(fù)合材料 金剛石-碳化硅復(fù)合材料具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高強(qiáng)度、物理化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮咝阅茈娮臃庋b材料之一，因而近年來受到廣泛關(guān)注。目前制備金剛石-碳化硅復(fù)合材料的工藝主要有高壓高溫反應(yīng)燒結(jié)法和高壓液相滲透法。高壓工藝對設(shè)備要求很高，生產(chǎn)成本較高，制備的產(chǎn)品體積較小且形狀單一。由于金剛石與碳化硅的硬度極高，導(dǎo)電性能較差，金剛石-

5、碳化硅復(fù)合材料的深加工成本很高，其應(yīng)用領(lǐng)域受到極大限制。馬安等7利用真空氣相反應(yīng)滲透工藝，在真空條件下將蒸汽通入預(yù)制的多孔基體中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而獲得致密度高的復(fù)合材料。該工藝具有周期短、效率高、成本低、對設(shè)備要求低、近凈成形等特點(diǎn)。2.2 金剛石/銀復(fù)合材料瑞士的機(jī)械冶金實(shí)驗(yàn)室（Laboratory of Mechanical Metallurgy）的Tavangar等8，研制出了通過在純Ag中添加11%mol的Si，并通過選擇不同粒徑的金剛石顆粒及合成條件制備出熱導(dǎo)率410780 W/（m·K）的復(fù)合材料。奧地利Plansee公司9采用了氣壓浸滲法制備金剛石/銀復(fù)合材料，熱

6、導(dǎo)率為550650 W/（m·K）。2.3 金剛石/鋁復(fù)合材料 a型金剛石的熱導(dǎo)率是20002200 W/（m·K），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過SiC的熱導(dǎo)率（220W/（m·K）。金屬Al導(dǎo)熱率為230 W/（m·K）、密度低為2.7g/cm3且價(jià)格便宜，是電子封裝領(lǐng)域中廣泛使用的一種散熱材料。若采用Al與60%以上（體積分?jǐn)?shù)）的金剛石顆粒復(fù)合制備金剛石/Al 復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率的理論值應(yīng)在800 W/（m·K）以上。因此，這類復(fù)合材料將具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、較小的熱膨脹系數(shù)以及較低的密度（約為 3 g/cm3左右），是最有發(fā)展前景的高性能電子裝備用封裝材料之一

7、。2004年0.Beffort 10等通過液壓浸滲+擠壓的方法成功制備了Diamond/Al復(fù)合材料，但由于制備溫度高導(dǎo)致在界面處出現(xiàn)了吸潮后易粉化的Al4C3相，影響了復(fù)合材料的性能。B. Yang11等通過浸滲法在800高溫條件下制備金剛石/Al基復(fù)合材料，結(jié)果同樣出現(xiàn)Al4C3相，且致密度低。為了避免高溫區(qū)金剛石顆粒與液態(tài)Al的直接接觸和提高復(fù)合材料的致密度。很多學(xué)者認(rèn)為，金剛石表面金屬化和基材合金化是兩種有效途徑。P. W. Ruch等12為了增加Al的流動性，提高復(fù)合材料的致密度，選擇在Al基中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的Si通過氣壓浸滲+擠壓的方法成功制備了導(dǎo)熱率為670W/（m·

8、;K）的金剛石/Al-Si復(fù)合材料但還是存在界面不良反應(yīng)的情況。 H. Feng等13通過金剛石表面金屬化TiC的形式，通過氣壓浸滲+ 擠壓的方式成功制備了復(fù)合材料，測試結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)不良界面反應(yīng)。但金剛石表面金屬化所需設(shè)備成本高，工藝參數(shù)不易控制且金屬層的厚度對復(fù)合材料性能影響因素尚不明確。為了避免這些問題，研究者提出了使用放電等離子燒結(jié)（SPS）的方式讓其在較低溫下成型。SPS法的成型溫度一般在560-600之間且燒結(jié)時(shí)間短。此溫度下，金屬Al尚未到達(dá)熔點(diǎn)且與金剛石顆粒接觸時(shí)間短，有利于避免界面不良反應(yīng)的發(fā)生。但這種方法制備的復(fù)合材料致密度不高。為了解決這個問題日本K.Mizmlchi等14

9、通過先將Al粉，少量Al-5Si合金粉和金剛石顆粒三者混合均勻后再放電等離子燒結(jié)的方式成功制備了復(fù)合材料，其致密度高達(dá)99%以上，導(dǎo)熱率為552W/（m·K）。這種方法制備的復(fù)合材料致密度高的主要原因是由于Al-5Si合金粉末的培點(diǎn)比Al粉低，在燒結(jié)溫度下Al-5Si合金粉己經(jīng)達(dá)到了煉點(diǎn)，但Al粉卻處于館融狀態(tài)又由于原子擴(kuò)散的原因，因此會形成瞬間液相區(qū)，通過瞬間且少量的液相促進(jìn)了基材的流動性，從而提高了致密度。同年他們將Al-5Si合金粉用Al-Mg合金粉替代，同樣制備出了高致密度，高導(dǎo)熱的Diamond/Al基復(fù)合材料。但放電等離子燒結(jié)設(shè)備昂貴，能耗大，對制備高體積分?jǐn)?shù)的金剛石的鍋

10、基復(fù)合材料時(shí)，致密度不夠理想。因此，目前研究者正向工藝簡單化，設(shè)備簡單化的方向努力。 北京科技大學(xué)通改變金剛石包括粒徑、級別等以及在制備過程中不同燒結(jié)工藝、混料方式等的研究，探索了其對金剛石/鋁復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，得到了一些定性的規(guī)律。2.4 金剛石/銅復(fù)合材料 金剛石/銅復(fù)合材料在國外的研究主要集中在美國，日本，歐洲。1995年美國Sun Microsystems公司與Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)了金剛石/銅復(fù)合材料，作為多芯片模塊的基板使用，稱之為Dymalloy15，是將涂覆金屬的金剛石放入模具中壓實(shí)，然后真空滲銅合金，熱導(dǎo)率可達(dá)420 W/（m·

11、K），CTE為5.5×10-6/K，但制備工藝相對復(fù)雜、成本高。 1996年，美國Q. Sun16等人用沖擊波固結(jié)法制備了金剛石/銅復(fù)合材料，并指出該復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨著金剛石體積分?jǐn)?shù)（10%50%）的增多而減少，最低的熱膨脹系數(shù)達(dá)9.1×10-6K-1，但未研究材料的熱導(dǎo)率性能。 日本Hanada等17通過真空熱壓法（723K，600MPa）制備的復(fù)合材料最高導(dǎo)熱率為398 W/（m·K）。俄羅斯E. A. Ekimov等18采用高溫高壓方法制備出導(dǎo)熱可達(dá)900 W/（m·K）的金剛石/銅復(fù)合材料，生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量有限，同時(shí)限制了復(fù)合材料的尺寸，實(shí)

12、用意義不大。2006年，日本科學(xué)家Yasuyukii Agafi19等采用放電等離子燒結(jié)法制備出金剛石體積比為60%的金剛石/銅復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率可達(dá)到600W/（m·K）以上。2008年，德國T. Schubert20等用脈沖放電等離子燒結(jié)方法，制備了CuCr0.8/diamond（體積分?jǐn)?shù)50%）合金，并重點(diǎn)討論了改型復(fù)合材料的界面問題，指出了界面（100nm厚的Cr3C2）能夠?yàn)殡娮雍吐曌拥膫鬟f提供通道，可增加銅和金剛石的浸潤性，從而增加了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率640 W/（m·K）和熱膨脹系數(shù)9×10-6K-1，但Cr3C2界面有待進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。國內(nèi)對金剛石的

13、研究主要集中在金剛石機(jī)械加工工具制造方面，電子封裝功能性的研究主要有北京有色金屬研究院、上海交通大學(xué)、北京科技大學(xué)、湖南大學(xué)、中國科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)和高校。研究集中在用放電等離子燒結(jié)法或粉末冶金法的制備工藝方面，探討了燒結(jié)溫度、金剛石體積分?jǐn)?shù)、燒結(jié)致密度等對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響，還有部分工作集中在為提高熱導(dǎo)率，研究如何提高該復(fù)合材料的界面性能，包括界面的調(diào)控、表征和檢測。3 金剛石/金屬的導(dǎo)熱原理 金剛石/金屬復(fù)合材料的一項(xiàng)關(guān)鍵性能是熱導(dǎo)率。一般固體物質(zhì)可以通過電子傳熱， 也可以通過晶格導(dǎo)熱。金屬主要靠電子運(yùn)動傳遞熱量， 而金剛石和其它非金屬材料主要靠聲子導(dǎo)熱。聲子是晶格振動的能量量子， 晶格熱

14、傳導(dǎo)可以看作是聲子擴(kuò)散運(yùn)動的結(jié)果。晶格導(dǎo)熱與氣體的熱傳導(dǎo)有相似之處，氣體的導(dǎo)熱可以看作是一個自由程內(nèi)冷熱分子相互交換位置的結(jié)果。根據(jù)這種理論可得熱導(dǎo)率: k=13 Cvv式中：Cv，單位體積熱容。，聲子自由程。 V，熱運(yùn)動的平均速度。聲子平均自由程的大小由兩種過程決定，一是聲子間的相互碰撞，二是固體中缺陷對聲子的散射。復(fù)合材料的導(dǎo)熱受到金剛石單晶顆粒中雜質(zhì)元素、位錯、裂紋等晶格缺陷、殘留金屬催化劑、金剛石晶格位向及金剛石與金屬間界面的影響，它們與聲子發(fā)生交互作用，降低了材料熱導(dǎo)率，成為限制聲子自由程的原因。金剛石顆粒的大小也對其熱導(dǎo)率有影響: 金剛石粒度越小，限制聲子自由程的界面越多，熱導(dǎo)率也

15、越低；隨金剛石粒度的增大，界面減少，熱導(dǎo)率增大。4 結(jié)語國內(nèi)外在新型電子封裝用金剛石/金屬復(fù)合材料的研究制備上已經(jīng)取得很大的成果。在如下方面還需要開展研究，一是怎樣有效改善金剛石與金屬的潤濕性。由于金剛石與金屬的潤濕性很差，金剛石表面金屬化是解決這一問題的有效途徑。二是金剛石與金屬間的界面問題。這是制備高性能金剛石/金屬復(fù)合材料的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)。三是機(jī)械加工的方法。由于金剛石的高硬度和金屬材料的高延展性使得這種復(fù)合材料更難實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的車、銑、鉆、磨等機(jī)械加工，因此需要探討這種材料的加工方法和工具制備。金剛石復(fù)合材料是最具有發(fā)展?jié)摿Φ碾娮臃庋b材料之一，也是金剛石功能性應(yīng)用中非常重要

16、的一項(xiàng)，應(yīng)用前景十分廣闊。隨著研究的不斷深入，將會在電子工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并且提升電子器件功率水平，促進(jìn)電子工業(yè)的發(fā)展。同時(shí)也會促進(jìn)超硬材料行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升整體實(shí)力和社會經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1 童震松，沈卓身，J. 電子與封裝，2005，5（3）：6-14.2 黃強(qiáng)，顧明元，J. 電子與封裝，2003，3（2）:22-25.3 劉永正 電子封裝用金剛石/金屬復(fù)合材料研究進(jìn)展 功能材料 2009，（40）：440-443.4 童震松，沈卓身，張毓雋 高導(dǎo)熱金剛石/玻璃復(fù)合材料的制備和性能研究J. 電子元件與材料， 2009，28（11）：52-55.5 童震松，沈卓身，邢奕 鍍鈦金剛石增強(qiáng)玻璃

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