电子封装用金刚石/铜复合材料的研究

【摘要】：随着微电子技术及半导体技术的高速发展,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,它与传统的电子封装材料相比,具有更优异的性能,是未来封装最有潜力的发展方向之一。因此对金刚石／铜电子封装材料的研究具有重要的理论意义和实用价值。 本实验采用粉末冶金复压复烧工艺,即采用不同颗粒尺寸(20μm、40μm、90μm)的金刚石,在不同工艺条件下(压制压力、烧结温度、烧结时间)制备了金刚石体积分数分别为50%、60%和70%的金刚石／铜复合材料。 通过对材料的致密度测量和分析,研究结果表明：金刚石／铜复合材料的致密度随着压制压力的增大而增加,但压力超过1500MPa后对材料的致密度则影响不大；烧结温度在890℃时,金刚石／铜复合材料的致密度达到最大,随着温度的提高,由于金刚石颗粒的石墨化原因,致密度开始下降；延长烧结时间对金刚石／铜复合材料的致密度有一定的提高；金刚石／铜复合材料的致密度随着金刚石颗粒尺寸的增大而增加,随着金刚石体积含量的增大而减小。 通过对金刚石／铜复合材料热膨胀系数的检测,分析了温度、金刚石颗粒尺寸及体积含量对材料热膨胀系数的影响。结果表明：金刚石／铜复合材料的热膨胀系数随着温度的增大、金刚石颗粒尺寸的增大及金刚石的体积含量的减小而逐步增大。并利用ROM模型、Turner模型和Kerner模型对复合材料的热膨胀系数进行了预测。 利用模型并结合实验数据分析了影响金刚石／铜复合材料热导率的因素。结果表明：随着复合材料致密度的增大和金刚石颗粒尺寸的增大,金刚石／铜复合材料的热导率增大；随着金刚石体积含量的增加,其热导率降低,这与几何平均值模型、Maxwell模型和P.G. Klemens模型的理论计算结果相反。在本实验中所得到的金刚石／铜复合材料致密度不高,严重影响了其热导率,测量得到的复合材料热导率最高仅达到62.8 W／(m·K),与国外的相关报道和预期的目标具有一定的差距。 通过上述优化工艺制备的金刚石体积含量为70%的金刚石／铜复合材料的致密度达到83%左右,其热膨胀系数在100℃时达到6.4～7.5×10-6／K。