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(shí)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(shí)，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(jí)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(duì)這兩項(xiàng)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(huì)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?gòu)?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(guò)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(shí)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(shí)際上金剛石/Cu復(fù)合材料應(yīng)用于生產(chǎn)的實(shí)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(gè)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(shí)，熱導(dǎo)率降低到260W·m^-1·K^-1；而在制備復(fù)合材料時(shí)，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(duì)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(shí)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(gè)因素，研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)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(píng)價(jià)復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shì)，但無(wú)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(guò)70%）并不現(xiàn)實(shí)，且會(huì)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(lái)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(duì)復(fù)合材料的制備而言，組元之間相互浸潤(rùn)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(rùn)濕狀況導(dǎo)致界面熱阻很高。因此，通過(guò)各種技術(shù)手段對(duì)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(wèn)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(duì)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(rùn)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(shí)間短，升溫、降溫速率快，燒結(jié)材料均勻的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(shí)，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(shí)，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(wú)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(guó)的Lanxide公司最早開(kāi)發(fā)出無(wú)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(diǎn)以上，使得金屬液在無(wú)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(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

無(wú)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(wú)壓滲透法對(duì)金剛石與銅之間界面潤(rùn)濕性的要求極高，金剛石與銅之間過(guò)渡層必須均勻且完整，相較于有壓輔助熔滲，無(wú)壓滲透法的熔滲時(shí)間較長(zhǎng)。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(duì)壓制模具要求較高，制備的復(fù)合材料形貌相對(duì)單一。無(wú)壓滲透法可通過(guò)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(guò)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(wú)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(duì)各種氣氛下無(wú)壓熔滲制備的復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)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(wú)壓熔滲溫度為1300-1400℃，最佳無(wú)壓熔滲時(shí)間為90-110min。

編輯：粉體圈Alpha

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