电子封装用金刚石/铜复合材料界面与导热模型的研究进展
发布时间：2021-03-27 18:30
金刚石/铜复合材料具有高热导率、高强度、热膨胀系数可调的优点,是极具发展潜力的新一代电子封装材料。针对复合材料两相界面结合较差的问题,目前主要采用添加活性元素在界面处生成碳化物层的方法来改善。论述了活性元素添加的两种手段,即基体合金化和金刚石表面金属化的研究进展,并归纳了金刚石/铜复合材料导热模型的发展情况,最后提出了金刚石/铜复合材料在界面研究中面临的挑战和其未来努力的方向。
【文章来源】：材料导报. 2016,30(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图２Ｃｕ／ｄｉａｍｏｎｄ－Ｔｉ或Ｃｒ镀层示意图Ｆｉｇ．２ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＴｉ－ｃｏａｔｅｄ／Ｃｒ－ｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄａｎｄＣｕ
体积分数对复合材料热导率的影响。研究认为膜层结构为金刚石－碳化物－金属层，且碳化物层与金属层厚度比为２∶１［２８］，经放电等离子烧结成复合材料后，镀层金属扩散入基体铜，形成合金层，因此复合材料的界面热阻由３部分构成，结构如图２所示，即金刚石与碳化物界面热阻、碳化物本身热阻、碳化物与基体合金层界面热阻。镀层厚度的控制制约着碳化物层热阻的大小，通过调控镀覆时间、温度、原料配比可以达到调节镀层厚度的目的。结合Ｈ－Ｊ模型计算得到碳化物层厚度与热导率的关系，如图３所示，模拟值与实验值吻合较好，但当Ｃｒ７Ｃ３厚度小于０．２μｍ后，偏离较为严重，这是因为镀层太薄，起不到结合的作用，因此碳化物层最佳厚度为０．４～０．６μｍ，在此条件下，当金刚石体积分数为７０％时，复合材料热导率为６５７Ｗ／（ｍ·Ｋ）。图２Ｃｕ／ｄｉａｍｏｎｄ－Ｔｉ或Ｃｒ镀层示意图Ｆｉｇ．２ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＴｉ－ｃｏａｔｅｄ／Ｃｒ－ｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄａｎｄＣｕ图３不同金刚石体积分数复合材料热导率随Ｃｒ７Ｃ３厚度变化的实验结果与Ｈ－Ｊ模型的对比图Ｆｉｇ．３ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆＣｒ－ｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄ／ＣｕｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｄｉａｍｏｎｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆＣｒ７Ｃ３ｌａｙｅｒｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｄｉａ
层，如图４所示，（１００）面粗糙坑洼而（１１１）面基本不反应，这是因为金刚石（１００）面原子结合不如（１１１）面紧密，（１００）面更容易溶解和参与生成碳化物。图４金刚石颗粒的微观结构（（ａ）原始金刚石颗粒；（ｂ）溅射Ｃｕ－１％Ｃｒ（质量分数）的金刚石颗粒；（ｃ）Ｃｕ－Ｂ／ｄｉａｍｏｎｄ被腐蚀后的颗粒；（ｄ）金刚石（１００）面得到凹金字塔结构）Ｆｉｇ．４Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｄｉａｍｏｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ（（ａ）Ｏｒｉｇｉｎａｌｄｉａｍｏｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ；（ｂ）ＰａｒｔｉｃｌｅｓｓｐｕｔｔｅｒｅｄｗｉｔｈＣｕ－１％（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）Ｃｒａｌｌｏｙ；（ｃ）ＰａｒｔｉｃｌｅｓｒｅｌｅａｓｅｄｆｒｏｍＣｕ－Ｂ／ｄｉａｍｏｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；（ｄ）Ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｐｙｒａｍｉｄｓａｐｐｅａｒｉｎｇｏｎｓｕｒｆａｃｅ）利用磁控溅射法在金刚石表面镀膜的研究不多，主要原因是磁控溅射法镀膜单次镀覆量小，颗粒镀覆不够均匀，镀覆后膜层很难形成冶金结合，一般需要进行后续热处理［５］。２．４扩散法镀膜扩散法镀膜是将金刚石与金属粉末或者金属氧化物粉末混合后在一定温度下真空退火，利用反应扩散使金刚石表面生成均匀镀层的方法。１９８７年，Ｃｈｕｐｒｉｎａ等［３２，３３］对扩散法镀膜的反应机理，镀层厚度与反应温度、反应时间的关系进行了深入的研究，研究元素包括Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ。研究认为，在镀膜过程中，金属元素或金属氧化物一部分通过蒸发转变成气态，另一部分通过扩散到达金刚石表面，与碳原
本文编号：3103991
【文章来源】：材料导报. 2016,30(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图２Ｃｕ／ｄｉａｍｏｎｄ－Ｔｉ或Ｃｒ镀层示意图Ｆｉｇ．２ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＴｉ－ｃｏａｔｅｄ／Ｃｒ－ｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄａｎｄＣｕ
体积分数对复合材料热导率的影响。研究认为膜层结构为金刚石－碳化物－金属层，且碳化物层与金属层厚度比为２∶１［２８］，经放电等离子烧结成复合材料后，镀层金属扩散入基体铜，形成合金层，因此复合材料的界面热阻由３部分构成，结构如图２所示，即金刚石与碳化物界面热阻、碳化物本身热阻、碳化物与基体合金层界面热阻。镀层厚度的控制制约着碳化物层热阻的大小，通过调控镀覆时间、温度、原料配比可以达到调节镀层厚度的目的。结合Ｈ－Ｊ模型计算得到碳化物层厚度与热导率的关系，如图３所示，模拟值与实验值吻合较好，但当Ｃｒ７Ｃ３厚度小于０．２μｍ后，偏离较为严重，这是因为镀层太薄，起不到结合的作用，因此碳化物层最佳厚度为０．４～０．６μｍ，在此条件下，当金刚石体积分数为７０％时，复合材料热导率为６５７Ｗ／（ｍ·Ｋ）。图２Ｃｕ／ｄｉａｍｏｎｄ－Ｔｉ或Ｃｒ镀层示意图Ｆｉｇ．２ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＴｉ－ｃｏａｔｅｄ／Ｃｒ－ｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄａｎｄＣｕ图３不同金刚石体积分数复合材料热导率随Ｃｒ７Ｃ３厚度变化的实验结果与Ｈ－Ｊ模型的对比图Ｆｉｇ．３ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆＣｒ－ｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄ／ＣｕｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｄｉａｍｏｎｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆＣｒ７Ｃ３ｌａｙｅｒｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｄｉａ
层，如图４所示，（１００）面粗糙坑洼而（１１１）面基本不反应，这是因为金刚石（１００）面原子结合不如（１１１）面紧密，（１００）面更容易溶解和参与生成碳化物。图４金刚石颗粒的微观结构（（ａ）原始金刚石颗粒；（ｂ）溅射Ｃｕ－１％Ｃｒ（质量分数）的金刚石颗粒；（ｃ）Ｃｕ－Ｂ／ｄｉａｍｏｎｄ被腐蚀后的颗粒；（ｄ）金刚石（１００）面得到凹金字塔结构）Ｆｉｇ．４Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｄｉａｍｏｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ（（ａ）Ｏｒｉｇｉｎａｌｄｉａｍｏｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ；（ｂ）ＰａｒｔｉｃｌｅｓｓｐｕｔｔｅｒｅｄｗｉｔｈＣｕ－１％（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）Ｃｒａｌｌｏｙ；（ｃ）ＰａｒｔｉｃｌｅｓｒｅｌｅａｓｅｄｆｒｏｍＣｕ－Ｂ／ｄｉａｍｏｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；（ｄ）Ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｐｙｒａｍｉｄｓａｐｐｅａｒｉｎｇｏｎｓｕｒｆａｃｅ）利用磁控溅射法在金刚石表面镀膜的研究不多，主要原因是磁控溅射法镀膜单次镀覆量小，颗粒镀覆不够均匀，镀覆后膜层很难形成冶金结合，一般需要进行后续热处理［５］。２．４扩散法镀膜扩散法镀膜是将金刚石与金属粉末或者金属氧化物粉末混合后在一定温度下真空退火，利用反应扩散使金刚石表面生成均匀镀层的方法。１９８７年，Ｃｈｕｐｒｉｎａ等［３２，３３］对扩散法镀膜的反应机理，镀层厚度与反应温度、反应时间的关系进行了深入的研究，研究元素包括Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ。研究认为，在镀膜过程中，金属元素或金属氧化物一部分通过蒸发转变成气态，另一部分通过扩散到达金刚石表面，与碳原
本文编号：3103991
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3103991.html
