碳/金属复合电子封装材料界面设计及热性能研究
发布时间：2021-01-02 04:41
随着微电子技术的高速发展,电子封装向高集成、高性能、微型化、高可靠性方向发展,对电子封装材料的性能提出了更高要求。碳/金属复合材料具有高的热导率、可调的热膨胀系数及低密度的特点,成为电子封装用复合材料的研究热点。本文采用有限元方法对碳/金属复合材料的热性能进行了模拟与预测,并分别采用真空热压法和压力熔渗方法对石墨/铜复合材料与金刚石/铝复合材料进行了研究。通过增强体表面改性对复合材料的界面结构与特性进行调控,获得了高的导热性能。本文具体开展了以下几个方面的研究工作:（1）采用Ansys有限元软件建立了考虑界面热阻作用的颗粒增强复合材料三维实体模型,通过建立接触对、设定实常数的方法定义复合材料界面的热传导作用,使得模型更接近真实情况,能更好的体现界面热阻对复合材料宏观热导率的影响。利用此模型,讨论了界面热阻、组分材料性质、增强体颗粒大小、体积分数等因素对复合材料宏观热导率的影响规律和复合材料组份对复合材料热膨胀性能的影响。针对复合材料的实际微观结构特征,建立了非均匀界面热阻金刚石/铝复合材料的有限元模型,并结合复合材料的断口形貌,对复合材料热传导性能的主要影响因素进行了分析。金刚石{10...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电子封装热管理的三种类别芯片级热管理主要是将半导体器件或芯片工作时产生的热量传递出来，面临
填充颗粒的形状一般是不规则的并且颗粒随机分布在复合材料中，本文中采用周期性结构实体模型对实际显微结构进行简化。同时，考虑到二维实体模型在模拟填充材料的形状、颗粒堆积、界面热阻等方面的局限性，文中的模拟在三维尺度下进行。对于单一粒径颗粒填充复合材料，受填充颗粒形状的影响，填充物体积分数一般最高能达到 65%左右。为了确定实体模形中颗粒的堆积方式，计算等径球形颗粒在不同堆积方式下填充物的最大体积分数。当球形颗粒以简单立方、体心立方、面心立方方式堆积时，颗粒体积分数分别为 52.36%、68.02%和 74.05%[126]。因此，我们对实体模型进行了第二次近似处理：用球形颗粒取代实际情况中不规则颗粒。将球形颗粒按体心立方方式堆积所得模型的体积分数即可满足单一粒径颗粒填充复合材料的要求。同时，考虑到颗粒堆积方式的体对称以及周期性出现特点，可只对模型中周期性出现的代表性体积元进行模拟求解。本文中颗粒堆积方式及复合材料微观实体模型如图 2.2 所示。图 2.2(a)展示了代表性体积元中颗粒的堆积方式，图 2.1(b)即本文使用的微观尺度颗粒填充复合材料实体模型。
图 2.3 复合材料有限元模型网格划分结果拟中接触对的建立与实常数的设定料的重要组成部分，它对材料的综合性能有界面对复合材料作用。但是，由于界面的特寸存在数千倍的差异，若对界面层进行建模会发生数量级的变化，最终可导致实体模形本文在模拟界面对复合材料宏观热传导性能问题。通过设定接触单元实常数的方法来描流的散射、阻挡作用。利用 ANSYS 有限元接触对如图 2.4 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压力烧结铜-石墨复合材料的相对密度及性能研究[J]. 叶雨顺,左孝青,杨牧南,周芸,陆建生. 功能材料. 2014(19)
[2]界面设计对Sip/Al复合材料组织和性能的影响[J]. 刘猛,白书欣,李顺,赵恂,熊德赣. 材料工程. 2014(08)
[3]热压烧结制备石墨/铜复合材料的热性能研究[J]. 许尧,薛鹏举,魏青松,史玉升. 热加工工艺. 2013(12)
[4]纯铝与石墨、SiC和Al2O3的润湿性（英文）[J]. 包萨日娜,唐恺,Anne KVITHYLD,Thorvald ENGH,Merete TANGSTAD. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(08)
[5]Selective interfacial bonding and thermal conductivity of diamond/Cu-alloy composites prepared by HPHT technique[J]. Hui Chen1), Cheng-chang Jia1), Shang-jie Li2), Xian Jia1), and Xia Yang1) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, China 2) Shenzhen Haimingrun Industrial Co. Ltd., Shenzhen 518126, China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(04)
[6]Effects of boron on the microstructure and thermal properties of Cu/diamond composites prepared by pressure infiltration[J]. Ye-ming Fan1),Hong Guo1),Jun Xu1),Ke Chu1),Xue-xin Zhu1),and Cheng-chang Jia2)1) Non-Ferrous Metal Processing Division,General Research Institute for Non-ferrous Metals,Beijing 100088,China 2) Institute of Powder Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2011(04)
[7]Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J]. Xuan-hui QU,Lin ZHANG,Mao WU,Shu-bin REN State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, Beijing Key Laboratory for Powder Metallurgy and Particulate Materials, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(03)
[8]电子封装陶瓷基片材料的研究进展[J]. 李婷婷,彭超群,王日初,王小锋,刘兵. 中国有色金属学报. 2010(07)
[9]电子封装技术的研究进展[J]. 何鹏,林铁松,杭春进. 焊接. 2010 (01)
[10]颗粒增强铝基复合材料研究与应用进展[J]. 蒋宇梅,颜金华. 中国科技信息. 2009(20)
本文编号：2952672
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电子封装热管理的三种类别芯片级热管理主要是将半导体器件或芯片工作时产生的热量传递出来，面临
填充颗粒的形状一般是不规则的并且颗粒随机分布在复合材料中，本文中采用周期性结构实体模型对实际显微结构进行简化。同时，考虑到二维实体模型在模拟填充材料的形状、颗粒堆积、界面热阻等方面的局限性，文中的模拟在三维尺度下进行。对于单一粒径颗粒填充复合材料，受填充颗粒形状的影响，填充物体积分数一般最高能达到 65%左右。为了确定实体模形中颗粒的堆积方式，计算等径球形颗粒在不同堆积方式下填充物的最大体积分数。当球形颗粒以简单立方、体心立方、面心立方方式堆积时，颗粒体积分数分别为 52.36%、68.02%和 74.05%[126]。因此，我们对实体模型进行了第二次近似处理：用球形颗粒取代实际情况中不规则颗粒。将球形颗粒按体心立方方式堆积所得模型的体积分数即可满足单一粒径颗粒填充复合材料的要求。同时，考虑到颗粒堆积方式的体对称以及周期性出现特点，可只对模型中周期性出现的代表性体积元进行模拟求解。本文中颗粒堆积方式及复合材料微观实体模型如图 2.2 所示。图 2.2(a)展示了代表性体积元中颗粒的堆积方式，图 2.1(b)即本文使用的微观尺度颗粒填充复合材料实体模型。
图 2.3 复合材料有限元模型网格划分结果拟中接触对的建立与实常数的设定料的重要组成部分，它对材料的综合性能有界面对复合材料作用。但是，由于界面的特寸存在数千倍的差异，若对界面层进行建模会发生数量级的变化，最终可导致实体模形本文在模拟界面对复合材料宏观热传导性能问题。通过设定接触单元实常数的方法来描流的散射、阻挡作用。利用 ANSYS 有限元接触对如图 2.4 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压力烧结铜-石墨复合材料的相对密度及性能研究[J]. 叶雨顺,左孝青,杨牧南,周芸,陆建生. 功能材料. 2014(19)
[2]界面设计对Sip/Al复合材料组织和性能的影响[J]. 刘猛,白书欣,李顺,赵恂,熊德赣. 材料工程. 2014(08)
[3]热压烧结制备石墨/铜复合材料的热性能研究[J]. 许尧,薛鹏举,魏青松,史玉升. 热加工工艺. 2013(12)
[4]纯铝与石墨、SiC和Al2O3的润湿性（英文）[J]. 包萨日娜,唐恺,Anne KVITHYLD,Thorvald ENGH,Merete TANGSTAD. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(08)
[5]Selective interfacial bonding and thermal conductivity of diamond/Cu-alloy composites prepared by HPHT technique[J]. Hui Chen1), Cheng-chang Jia1), Shang-jie Li2), Xian Jia1), and Xia Yang1) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, China 2) Shenzhen Haimingrun Industrial Co. Ltd., Shenzhen 518126, China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(04)
[6]Effects of boron on the microstructure and thermal properties of Cu/diamond composites prepared by pressure infiltration[J]. Ye-ming Fan1),Hong Guo1),Jun Xu1),Ke Chu1),Xue-xin Zhu1),and Cheng-chang Jia2)1) Non-Ferrous Metal Processing Division,General Research Institute for Non-ferrous Metals,Beijing 100088,China 2) Institute of Powder Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2011(04)
[7]Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J]. Xuan-hui QU,Lin ZHANG,Mao WU,Shu-bin REN State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, Beijing Key Laboratory for Powder Metallurgy and Particulate Materials, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(03)
[8]电子封装陶瓷基片材料的研究进展[J]. 李婷婷,彭超群,王日初,王小锋,刘兵. 中国有色金属学报. 2010(07)
[9]电子封装技术的研究进展[J]. 何鹏,林铁松,杭春进. 焊接. 2010 (01)
[10]颗粒增强铝基复合材料研究与应用进展[J]. 蒋宇梅,颜金华. 中国科技信息. 2009(20)
本文编号：2952672
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