金刚石/铜复合材料界面设计与性能研究

【摘要】：随着高集成度器件功率水平的提高,人们对热管理材料的性能提出了更高的要求。金刚石颗粒增强金属基复合材料以其导热系数高、膨胀系数低、弹性模量高、耐磨性好等特点成为新一代高性能电子封装材料的研究热点。然而,由于金属与金刚石之间的润湿性差,使得金刚石增强金属基复合材料的界面结合弱、热阻高一直是最不利的因素。一个可行的解决方案是金刚石表面金属化,表面金属化可以改善金刚石颗粒与基体的润湿性,从而大大提高复合材料的导热性能。本文采用盐浴法在金刚石颗粒表面镀Cr或Mo,使金刚石表面金属化,研究了工艺参数对镀层结构和形貌的影响,之后以表面改性的金刚石和铜粉为原料采用热压法制备金刚石/铜复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和原子力显微镜(AFM)对涂层进行了表征,对部分样品进行研磨,用扫描电镜测量涂层厚度。研究了金刚石/铜复合材料的形貌,热力学性能和力学性能。结果表明:(1)RVD金刚石真空镀Cr得到的镀层为离散的斑点状,当Cr的重量百分比增大,真空镀保温时间延长时,镀层逐渐连接起来变得完整。RVD金刚石盐浴镀Cr,当Cr的重量百分比大于8%时镀层覆盖完整,盐浴镀Cr镀层均匀,表面平整。(2)使用熔盐法在MBD金刚石表面镀铬镀层沉积速度较快。金刚石颗粒表面的铬涂层主要由Cr_3C_2和Cr_7C_3组成。随着盐浴温度的升高,涂层变得粗糙,涂层产生裂纹的几率减小。当Cr含量达到6%,盐浴时间超过40 min时,可以形成完整的涂层。随着加热时间和Cr含量的增加,涂层厚度显著增加。随着温度的升高,涂层的厚度略有增加。样品的涂层厚度在312-826 nm之间,镀层的实际厚度比理论预测厚度偏低。(3)对比MBD金刚石和RVD金刚石采用同样的表面改性方法后制得的金刚石/铜复合材料,RVD金刚石/铜复合材料的热导率普遍高于MBD金刚石/铜复合材料的导热率,这可能是由于RVD金刚石形状不规则,在热压制备金刚石/铜复合材料时,RVD金刚石在复合材料中堆积的更加致密,金刚石在复合材料中的体积百分更高,造成RVD金刚石/铜复合材料的热导率普遍高于MBD金刚石/铜复合材料的导热率。(4)金刚石表面盐浴镀Mo,镀层的形成表现出择优生长,镀层先在金刚石的{100}面生长然后在金刚石的{111}面生长。在保证镀层完整的前提的,可以得到Mo镀层的最小厚度为1.191μm。(5)金刚石表面镀Cr或Mo对复合材料的性能有极大的提升,复合材料的热导率由162 W/(m·k)最多提升到483 W/(m·k),复合材料的抗弯强度从47 MPa最多提升到243 MPa,复合材料的的热膨胀系数降低,高温下稳定性进一步提升。