金刚石粒径对金刚石铝复合材料导热性能的影响

金刚石粒径对金刚石/铝复合材料导热性能的影响东方贱人华东理工大学摘要：金刚石/铝复合材料属于金属基复合材料，迎合了当前材料复合化的主流研究方向，其综合了金刚石和铝二者优良的物理性能，也弥补了金刚石成本高加工困难的缺点，不仅满足现代电子封装材料的理想化要求，而且具有大规模生产的可能，迅速成为国内外各研究机构的研究重点，各国学者都立志于优化工艺参数来制备出更高质量、更高热导率的金刚石/铝复合材料。本课题主要研究金刚石粒径尺寸对金刚石/铝复合材料导热性能的影响，以便于选择最佳规格参数的实验原料，参考前人理论模型以及本次实验数据，探究在相同工艺条件下，金刚石粒径尺寸对Diamond/Al复合材料热导率及热膨胀系数的影响，研究结果表明：（1）相同的工艺条件前提下，金刚石粒径存在一个临界值，当粒径小于该临界值时，材料热导率随粒径尺寸增大而增大；当粒径大于该临界值时，材料的热导率随粒径尺寸增大而减小；（2）金刚石粒径越小，复合材料热膨胀系数越小。关键词：金刚石金刚石/铝复合材料界面致密度热导率热膨胀系数第一章绪论1.1引言随着现代电子技术的飞速进步，电子工业的发展呈蓬勃之势，各种电子产品充溢于我们的日常生活之中，如智能手机、平板电脑以及液晶电视等，极大地改变了人们的生活方式和生产方式，电子产业已成为我国建设工业化道路的先驱产业。电子产业的发展离不开安全稳定的电子封装技术作为保障，进入90年代中期以后，西方的一些发达国家一开始把目光从电子产品的研发投向了电子产品的封装技术，以期提高电子整机性能[1]，在全世界范围内，后摩尔时代的到来，掀起了一场电子封装技术研发的狂潮。然而近几年随着电子元器件向着更高的集成度，更快的运行速度方向发展，微小化、轻便化、多功能化成为主流，然而更快的运行速度更小的芯片规格也代表着芯片高速运行时产生的热量越来越大，因为材料本身导热性能的限制，往往不能做到迅速散热，芯片常常会因为温度过高而无法正常工作，严重影响了其使用寿命和性能，散热问题已成为制约电子信息产业发展的主要难题之一[2]，电子封装领域迫切需要一种高导热材料来破解这一难题，高导热新型电子封装材料的研究迫在眉睫。1.2电子封装材料电子封装指的就是按照规定的要求，把构成电子器件或集成电路的各个单元合理的组装安置键合，并对集成电路内置芯片起到固定密封，支撑保护的作用。电子封装可以分为几个封装级别，如图1.1所示，第一级封装包括集成电路（IC）芯片互连及封装，芯片本身包含许多集成微电路如晶体管、电阻器及电容器，因此芯片又被称为零级封装；第二级包括微电子器件和印刷电路板（PCB）的连接，利用聚合物涂层可分为PCB上微电子器件提供额外的保护；第三级是将主板与PCB相连，第四级和最终级封装是指电子系统如计算机或手机中的主板（或PCB）的封装[3]。图1.1电子封装级别1.2.1电子封装材料的分类常用的电子封装材料主要有陶瓷封装材料、塑料封装材料、金属封装材料和金属基复合材料四类，其中前三类属于传统封装材料，后一类则是目前广泛使用的新型电子封装材料[4]，表1列出了几种常用封装材料的物理和热力学性能参数。表1.1.常用封装金属材料的基本特性材料热膨胀系数/10-6K-1导热系数/W/(m·k)密度/g·cm-3Al232212.7Cu174008.9Mo5.014010.2W4.517419.3Invar0.4118.04Kovar5.9178.3GaAs5.8393.9Al2O36.5`7.420`303.9BeO6.3`82502.9SiC3.72703.2AIN3.9`4.560`2803.3陶瓷类是电子封装中比较常用的一种，化学性能稳定，绝缘性强，具有优异的高频特性和与芯片匹配的热膨胀系数，其中Al2O3陶瓷和AIN陶瓷使用较为广泛[5]。目前市场上使用最多的陶瓷类封装材料是Al2O3，具有陶瓷类的一贯优点，制备和加工工艺技术也比较成熟，适合大规模生产，但Al2O3陶瓷热导率很低，达不到某些领域对材料热导性的要求，这限制了它在大规模集成电路方面的发展；AIN陶瓷是一种新型的人工合成陶瓷封装材料，综合性能优良，一度被认为是一种很有发展潜力的电子封装材料，但由于其必须通过复杂的人工合成工艺制备，生产所需成本太高，不能进行大规模的市场运用，限制了其发展。塑料类封装材料是电子封装领域应用最广，用量最大、发展最快的一类电子封装材料，因其原料来源广、质量轻、绝缘性好、生产成本低，加工工艺简单等诸多优点，占据了90%的封装市场份额。目前国内使用最多的是环氧类塑料，但是由于其存在易开裂、耐湿性差、固化物收缩等不足，使其不能满足某些领域应用的需要。金属封装材料热导率和机械强度高，加工性能好，广泛应用于航空航天、军事设施等混合电路，Al、Cu等金属已开始成功运用到电子封装产品，但是因为Al和Cu线膨胀系数与半导体硅芯片相差较大，芯片工作易受损伤，而W、Cr等成本略高，不适合规模生产，使得金属封装材料发展缓慢[6]。陶瓷、塑料、金属这三类封装材料都属于传统的电子封装材料，由于目前市场的发展以及不断提出更高性能的要求，传统的封装材料已经不能满足需要，金属基复合材料作为一种新型的封装材料，凭借其优异的综合性能，开始登上市场的舞台，在各个领域都得到了广泛的关注。1.2.2理想电子封装材料的性能要求市场的需求对理想电子封装材料提出了以下几个要求[7]：一是材料的膨胀系数要与芯片相匹配，以避免工作时因为热循环产生较大的热应力损伤使芯片失效；二是材料的导热性能良好，能迅速地将大功率芯片高速运行时所产生的热量散发出去；三是材料的气密性良好，能尽可能减少芯片在有害环境下工作受到的不利影响；四是材料的强度和刚度要满足一定的标准，避免芯片受压破损；五是材料的成本要尽可能低，以满足大规模生产的要求。1.3金刚石/铝复合材料目前备受国内外诸多研究机构关注的金刚石，不仅具有良好的物理性能，而且其热导率能高达1300~2200W/(m·k)，热膨胀系数仅为0.8×10-6K，自从上世纪60年代起，就作为散热材料作用于半导体材料封装基片，但是由于金刚石加工困难且成本较高，一直无法大规模应用。近年来，随着人工合成金刚石技术的研究愈发成熟，其生产成本逐年下降，基本可实现大规模生产来满足市场需求，但金刚石质坚难以加工，现代封装领域的常用方法是将其作为增强体加入金属基材中制成金刚石/金属基复合材料，这样不仅能显著提高基材的硬度、耐磨性、热导率，还能降低基材的热膨胀系数。材料的热导率仍然是选择金属基体的第一要素，银和铜的热导率都较铝高，但是基于成本和密度的考虑，在电子封装领域应用较铝并不广泛，铝作为金属散热材料，具有高热导率，其热导率为230W/(m·k)，高比强度，低的密度及成本等优点，具有很大的开发应用潜力。因此综合二者优良性能，具有高热导率、低热膨胀系数和低密度等优点的金刚石/铝复合材料，成为新一代电子封装材料的理想选择，WEBER等[8]采用气压浸渗法制备出的金刚石/铝复合材料，最大值能达到760W/(m·k)，为目前所测得的最高热导率。1.4金刚石/铝复合材料的制备方法目前广泛运用的制备金刚石/金属基复合材料的方法主要有两大类—固态成形法和液态成形法[9]，其中较为成熟的制备工艺技术包括粉末冶金法、放电等离子烧结法、液相浸渗法等。本次研究使用浸渗法工艺制备，包括气压、挤压和无压浸渗三种，主要差异在于液态金属渗入增强体预制件时工艺参数不同。1.4.1气压浸渗气压浸渗是熔融的液态金属在气体压力作用下被压渗至预制件模具中，图1.2为气压浸渗法设备示意图，此法是在一种比较常见的制备电子封装材料的方法，一般用来制备锌、铜、镁、铝基复合材料。气压浸渗的工艺流程是先制作增强体预制件模型，将增强体置于石墨模型中，高速震荡压实使其充满石墨模型；将制作好的预制件模型再放置到到坩埚中，通过高温加热气化其中一些可挥发性杂志，然后抽出炉腔中的气体使其真空化；调节设备温度使基体金属熔化至熔融液态，通入惰性气体使熔融液态金属充分浸渗到预制件间隙后凝固；待铸件冷却后取出进行加工检验[10]。气体浸渗法最大的问题是气压问题，熔融液态金属基体浸渗增强体预制件时，如果气压过小则制备的材料孔隙率过高，要想获得合格的产品就必须要在高气压下进行，但是这样又会增加模型的压力，而且还有可能压碎预制件，造成制备的复合材料组织不均匀。图1.2.气压浸渗装置示意图1.4.2挤压浸渗挤压浸渗技术与挤压铸造类似，是利用高压将熔融金属液压增强体预制件中，使其充分浸入模具，凝固后获得成品，其工艺流程主要分为两个步骤：预制件制备以及熔液浸渗过程[10]。该工艺方法操作简单可靠，生产效率高，制造成本低，所制备出的成品组织致密，适合于大工厂批量生产。由于压机的挤压作用，极大地促进了熔融金属与增强体之间的润湿，不需要对增强体材料再进行表面预处理改善界面，但是由于挤压作用的压力较大，要求预制件刚度硬度足够高，能承受高压而不变形，所以这种方法只适合于制备具有一定强度、刚度的颗粒、晶须等增强体复合材料。1.4.3无压浸渗无压浸渗是将在无压条件下将熔融液态金属浸渗到预制件中，然后冷却凝固得到成品的一种工艺，一般用于Al基复合材料的制备。无压渗透的工艺流程也是预先把增强体制成预制件，然后把基体金属放在加热炉中使其熔化成熔融液态，在无压状态下熔融态金属会自发浸渗到预制件中，凝固获得成品[10]，图1.3为无压浸渗法的工艺图。无压渗透法的优点是工艺设备简单易于操作，成本相对较低，而且复合材料中增强体材料的体积分数可控，但因为是在不加压力的工艺条件下进行，金属液并不能完全的浸渗到预制件中，制备的材料致密度低，而且用无压浸渗法制备的材料也存在增强体和金属液之间润湿性差的问题，需要预先进行表面处理防止高温作用下增强体与基体界面之间发生化学反应影响成品。图1.3无压浸渗法制备工艺图不同渗透法制备出来的复合材料性能相差甚远，图1.4中对比了气压浸渗、挤压浸渗和无压浸渗三种工艺的优缺点。表1.2.几种常见复合材料制备工艺的工艺特点制备方法工艺特点工艺缺陷气压浸渗合成时间长对金刚石的润湿性好生产步骤少增强体体积分数高生产过程慢施加压力较小设备气密性要求严格挤压浸渗液态金属流动成形材料质量稳定、安全性高高压凝固和塑形变形导致缩孔组织致密疏松少增强体体积分数高生产时间短，稳定性好模具的封闭性要求高预制件工艺参数多预制件与模具匹配度高生产费用较高无压浸渗设备及技术工艺方法简单生产成本较低可制备形状复杂的复合材料对模具要求低润湿性要求高复合材料界面结合难控1.5金刚石/铝复合材料导热性能研究1.5.1复合材料热导率的模型在复合材料中，各组成的成分与相对含量、各个相的形态及分布、各相之间的相互作用都会对热导率造成很大的影响，例如不同的增强体颗粒品级、形状、体积百分比等都会对整个复合材料热导率的大小造成影响。根据古今中外诸多学者研究，假设在金属基体中增强体颗粒呈圆球形且均匀分布，并且组成相不固溶，推导出颗粒增强金属基复合材料热导率的模型[11,12]，其中应用较为广泛的有：Bruggeman理论模型311111cmmcV（1-1）式中，V1为复合材料中增强体颗粒的体积百分比，λ1为增强体的热导率，λm为金属基的热导率，λc为整个复合材料的热导率Lewis和Nielsen半经验模型1111BVABVmc（1-2）其中ABmm111,1211VmmA和Φm是与颗粒形状和在基体中分布有关的参数Maxwell模型mmmmmcVV111111222（1-3）几何平均值模型1111cVmV（1-4）1.5.2金刚石粒径与复合材料导热性的关系目前从理论上探究金刚石粒径大小与金刚石/铝复合材料热导率的关系模型主要是由Hasselman-Johnson提出的H-J理论模型：假设增强体颗粒为球形，