电子封装材料用金刚石_铜复合材料的研究进展

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2009年1月󰀁ElectronicsProcessTechnology

5

电子封装材料用金刚石/铜复合材料的研究进展

尚青亮,陶静梅,徐孟春,李才巨,朱心昆

(昆明理工大学,云南󰀁昆明󰀁650093)

摘󰀁要:电子技术的快速发展对封装材料的性能提出了更严格的要求。针对封装材料的发展趋势,金刚石/铜复合材料作为新一代的电子封装材料受到了广泛的重视,概述了金刚石/铜复合材

料作为封装材料的优良性能及其制备工艺进展,并对其发展方向进行了展望。

关键词:电子封装;金刚石/铜复合材料;热导率;热膨胀系数

中图分类号:TN604󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1001-3474(2009)01-0005-04

ResearchProgressofDiamond-CuComposite

MaterialforElectronicPackaging

SHANGQing-liang,TAOJing-me,iXUMeng-chun,LICai-ju,ZHUXin-kun

(KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming󰀁650093,China)

Abstract:Therapiddevelopmentofelectronictechnologyhasledtostrictrequirementfortheprop󰀁ertiesofelectronicpackagingmateria.lAccordingtothenewdevelopmentofpackagingmateria,ldiamond/Cucompositesasanewgenerationelectronicpackagingmaterialhasreceivedmoreandmoreattention.ThefavorablecharacteristicsandbasicpreparationtechnologyofDiamond-Cucompositematerialfore󰀁lectronicpackagingarereviewed.AndthetendencytodevelopDiamond-Cucompositematerialforelec󰀁tronicpackagingisreviewed.

Keywords:Electronicpackaging;Diamond-Cucompositemateria;lThermalconductivity;Coeffi󰀁cientofthermalexpansion

DocumentCode:A󰀁󰀁󰀁ArticleID:1001-3474(2009)01-0005-04

󰀁󰀁电子封装是把构成电子器件或集成电路的各个部件按规定的要求实现合理布置、组装、键合、连接、与环境隔离和保护的操作工艺,它要求所使用的封

装材料既有高的导热率,又有低的热膨胀率,而且起到机械支撑、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡以及稳定元件参数的作用。在微电子技术高速发展的今天,半导体集成电路封装密度越来越大,目前常用的电子封装材料其热导率和热膨胀系数远远不能满足目前集成电路和芯片技术的发展需求,因此新型电子封装材料的研制已

[1~2]

成为发展电子器件的关键之一。目前,各种新

型封装材料己成为各国竞相研发的热点,新型微电子封装材料不仅要有高的热导率,而且还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数。

[3]

Zweben总结了常用电子封装材料的热导率和热膨胀系数如图1所示。从图1中可以看出目前常用的AlN、Al2O3、SiC、Cu-W、Cu-Mo、Al-SiC等材料,它们的热膨胀系数可以满足电子封装材料的需求,与Si、GaAs等半导体材料热膨胀系数相匹配,但热导率却远远不能满足

[4]

。金刚石是已知自

然界中热导率最高的物质,单晶金刚石的热导率可达到2000W/(m󰀂K),且室温下金刚石是绝缘体,

作者简介:尚青亮(1981-),男,硕士,主要从事电子封装材料的研究工作。

朱心昆(1959-),教授,博士生导师,主要从事粉末冶金及金属纳米材料的研究工作。

6󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁电子工艺技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第30卷第1期

其在半导体、光学等方面也具有很多优良特性,但单一的金刚石不易制作成封装材料,且成本很高,较理想的是用其做成金属基复合材料。而铜是工业领域中重要的工程材料之一,具有优良的导电性能和高

-6

的导热性能,它的热膨胀系数(CTE)为17 10K,热导率(TC)为400W/(m󰀂K)

[5~6]

复合材料,称之为Dymalloy,其热导率达到420W/(m󰀂K),25!~200!时的CTE为(5.48~6.50) 10

-6

/K,与GaAs、Si的热膨胀系数相匹配,作为多芯

[7]

片模块(MCM)的基板使用,但制备工艺复杂、成本极高

。最近几年,工业发达国家特别是日本对金

刚石/铜复合材料做了大量研究,并在制备方面取得了巨大突破。2002年,日本SomitomoElectricIndus󰀁tries(SEl)公司也开发出铜/金刚石复合材料,主要性能见表1,热导率有明显的提高。2006年,日本科学家YasuyukiiAgafi等

[8]

,符合电子封装

基片材料的低热膨胀系数和高热导率的使用性能要求。因此,金刚石/铜复合材料将成为电子封装业研

究的热点之一。本文主要对国内外金刚石/铜复合材料的国内外的研究现状及制备工艺研究进展进行了概述。

采用放电等离子烧结法制

备出金刚石体积分数为60%的金刚石/铜复合材料,其热导率可达到600W/(m󰀂K)以上。而国内对于金刚石/铜复合材料的研究主要集中于金刚石工具和磨具制造方面,对于金刚石/铜复合材料在电子封装领域的研究还较少,迫切需要给予更多的关注和探索研究。最近,北京科技大学、湖南大学、北京有色金属研究总院等高校和科研院所开始了相关研究工作。

表1󰀁SEI公司金刚石/铜复合材料的主要物理性能

热膨胀系数

󰀁/( 10-6K-1)

46

密度 /(g󰀂cm-3)

4.65.0

热导率

󰀂/(W󰀂m-1󰀂K-1)

600550

弹性模量E/GPa

620410

图1󰀁热传导材料的热膨胀系数和热导率1󰀁金刚石/铜复合材料的性能

金刚石/铜复合材料是由高热导率、低膨胀的金刚石和导热性能良好的铜制成的互不固溶且能发挥各个组元特性的复合材料,具有以下优点:(1)热导率高;(2)改变金刚石和Cu质量分数就可以控制热膨胀系数(CTE);(3)密度小;(4)可镀覆性和可加工性较好,可进行线切割、研磨和表面镀金。可以取代目前广泛应用Cu、W-Cu、Al/SiC和ALN等材料,在各种微波二极管、集成电路的底座和手机中都具有广泛的应用,充分解决微波功率器件的散热问题,满足轻量化,大大降低产品的质量,提高产品的散热性能、工作稳定性和可靠性。2󰀁金刚石/铜复合材料国内外的研究现状

随着电子工业的飞速发展,电子封装、组装的高密度、高速度化集成电路对封装材料的性能提出了更为严格的要求。金刚石/铜复合材料具有作为电子封装材料所需要的优良性能,并且根据具体的使用需要,能通过调整复合材料中金刚石和铜的比例,设计其最终的热导率和热膨胀系数的范围,因而金刚石/铜复合材料已成为了国内外电子封装领域研究的重点。

早在1995年,美国LawrenceLivermore国家实验室与SunMicrosystems公司合作开发了金刚石/铜

牌号DC40Diamond-CuDC60Diamond-Cu牌号DC40Diamond-CuDC60Diamond-Cu3󰀁金刚石/铜复合材料的制备研究进展

金刚石/铜复合材料作为当今最具有潜力的电子封装材料之一,目前国内外制备方法主要采用粉末冶金法和挤压铸造法和放电等离子烧结法等。3.1󰀁粉末冶金法

一种制取金属粉末以及采用成形和烧工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成制品的工艺技术,其主要工艺过程包括:复合材料粉末制取;复合粉末成型;复合粉末烧结

[9]

。

KatsuhitoYoshida等采用高温高压,把金刚石和铜粉在1420K~1470K和4.5GPa的条件下烧结15min制备出了金刚石体积分数在50%~80%的金刚石/铜复合材料,并探讨了材料的热导率、热膨胀系数与金刚石的体积分数和金刚石颗粒度的关系,提出金刚石/铜复合材料的热导率取决于金刚石的含量和金刚石的颗粒,而热膨胀系数仅与金刚石的含量有关以及提出界面是影响复合材料热导率的2009年第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁尚青亮等:电子封装材料用金刚石/铜复合材料的研究进展7

重要因素。但高温高压法制备的复合材料形状难以控制和避免二次加工。

QSun等

[10]

K)以上的金刚石/铜复合材料。放电等离子烧结法升温速度快,烧结时间短,工序简单,但对高金刚石含量的复合材料烧结致密化较困难。

4󰀁影响金刚石/铜复合材料性能的因素

金刚石的体积分数、粒度大小等因素是金刚石/铜复合材料热膨胀系数和热导率的主要因素。

金刚石/铜复合材料的热膨胀系数仅于金刚石的体积分数有关,复合材料的热膨胀系数随金刚石体积分数变化的关系图如图2所示。该研究中采用了两种不同颗粒尺寸的金刚石粉末,分别为20!m~30!m和40!m~60!m。从图2中可以看出金刚石/铜复合材料的热膨胀系数和金刚石的体积分数呈近似线形关系,随着金刚石体积分数的增加,复合材料的热膨胀系数逐渐减小。金刚石的体积含量在60%~80%时,复合材料的热膨胀系数可以控制

-6

在(4~9) 10/K之间。可以通过改变金刚石的体积分数来控制金刚石/铜复合材料的热膨胀系数。

在氩气气氛保护下,将金刚石粉和

铜粉机械球磨24h,用冲击波合成法制备了金刚石体积分数在10%~70%的金刚石/铜复合材料,并检测了金刚石/铜复合材料的致密度及热膨胀系数。

WZShao等

[11]

采用粉末冶金工艺,在压制压力

300MPa,烧结温度1159K~1220K下,制备出了金刚石/铜复合材料,致密度高于98%。不过在900!温度下,金刚石颗粒容易石墨化,生成CO或CO2,从而影响材料组织和性能。

刘辉等

[12]

采用机械球磨的方法将纳米金刚石

粉和铜粉混合均匀,油压机用370MPa的压力将混合粉末压制成型保压2min。用管式烧结炉对压坯进行烧结,在H2保护气氛下加热到1000!保温100min。然后在室温下对烧结后试样在700MPa下进行复压制备出了金刚石/铜复合材料,对复合材料的微观组织及摩擦磨损性能进行了研究,没有对其物理性能进行探讨。

马双彦等

[13]

采用两面顶设备及工艺,在高压

(3.5GPa~4.5GPa)高温(1370K~1470K)下烧结制成了体积分数为50%金刚石/铜复合材料,通过X射线衍射及拉曼光谱对其石墨化进行了研究。3.2󰀁挤压铸造法

挤压铸造是一种使液态或半固态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术。近年来,世界各国对挤压铸造法制备复合材料的研究工作比较活跃,特别是对挤压铸造铝基复合材料的研究。王荣等采用了氧化铝纤维制成梯度纤维体积分数(10%、20%、30%)的预制件,然后挤压铸造成梯度Al2O3/ZL109复合材料局部增强的铝活塞,经检验活塞复合材料与基体结合良好,具有良好的隔热效果。OBeffort等采用挤压铸造法制备Al(Si)/铜复合材料,金刚石体积分数在50%~70%之间,热导率达到375W/(m󰀂K)。

3.3󰀁放电等离子法

放电等离子烧结是一种快速烧结新工艺。将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上;在粉末颗粒间即可产生等离子放电;导致粉末的净化、活化、均化等效应。与传统的烧结方法相比,放电等离子烧结制得的烧结样品晶粒均匀、致密度高和力学性能好等优点

[17][15~16]

[14]

图2󰀁不同体积分数的金刚石/铜

󰀁󰀁󰀁复合材料的热膨胀系数

金刚石/铜复合材料的热导率取决于金刚石的体积分数及粒度大小,金刚石的体积分数、粒度大小对金刚石/铜复合材料热导率的影响如图3所示。从图3中看到,对于金刚石粒度相同的金刚石/铜复合材料,其热导率随着金刚石体积分数的增加而增大;对于体积分数相同的金刚石/铜复合材料,其热导率随金刚石粒度的增大而增加。因此,在制备金刚石/铜复合材料中选择合适金刚石粒度非常重要。

另外实验过程所采用的金刚石对复合材料的热导率也有很大的影响,当金刚石粒度大于200!m时,复合材料的热导率随金刚石粒度的增大而大幅度下降,这是金刚石本身的缺陷、杂质和界面对其导热过程共同作用的结果。2007年FlaquerJ[19]

等经过研究,发现金刚石的形状对金刚石/铜的复合材料热导率也有影响,金刚石的{001}面导热比{111}面要好。[18]

。

YasuyukiiAg等在金刚石表面镀铜后用放电等离子烧结法(SPS)成功制备出热导率达600W/(m󰀂

8󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁电子工艺技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第30卷第1期

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(收稿日期:2008-11-20)

图3󰀁不同金刚石粒度和体积分数的󰀁󰀁金刚石/铜复合材料的热导率

5󰀁结束语

随着电子封装技术的飞速发展,对电子封装材料的要求越来越苛刻。如何使金刚石/铜复合材料充分融合金刚石和铜这两种组元的优点,以获得具有高热导率、低热膨胀系数的新型电子封装材料,是目前存在的主要问题。解决这个问题的关键是:(1)如何有效地改善金刚石与铜的润湿性,这是国内外同行共同面对的问题。金刚石与铜的润湿性极差,在1150!下金刚石与铜的浸润角为145∀,它们之间没有固相反应,难以使金刚石与铜进行烧结,从而难以直接制备出致密的复合材料。可以通过金刚石表面改性,如加入强碳化合物元素(Cr、B、T、iV等),从而改善金刚石与铜的润湿性。但改性的同时又带来增加界面热阻的新问题,影响金刚石/铜复合材料的热导率和热膨胀系数;(2)金刚石石墨化问题,这将影响金刚石/铜复合材料组织及性能的稳定性。在真空条件下,970K~1670K,金刚石开始发生部分石墨化现象,当温度高于2070K,则金刚石完全石墨化。因此在制备金刚石/铜复合材料的过程中,应充分利用气氛保护、加压等工艺,防止金刚石发生石墨化。

金刚石/铜复合材料是最具发展潜力的电子封装材料之一,有十分广阔的应用前景。随着研究的不断深入,将会在电子工业中得到广泛应用,促进电子工业的发展。目前国内关于金刚石/铜复合导热材料的理论研究与开发应用尚不成熟,迫切需要给予更多的关注和探索研究。参考文献:

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