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鄒小姐：13326633089 -
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電子(zi)封裝材料(liao)的(de)應用需要(yao)考慮(lv)兩大基(ji)本(ben)性能(neng)要(yao)求，首(shou)先是高的(de)熱導率（Thermalconductivity，TC，實現熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩定工作；同時，封裝材料需要具有可調控的熱膨(peng)脹系數（CoefficientofThermalExpansion，CTE），從而與芯片和各級封裝材料保持匹配，降低熱應力的不良影響。而電(dian)子封裝材料的發展軌跡(ji)是對(dui)這兩項性能的不斷提高與優化(hua)。
一、高導熱封裝(zhuang)材料：“金剛石(shi)+金屬”復合材料
銅和鋁等(deng)金屬材料導(dao)熱(re)性能良好，但熱(re)膨脹系(xi)數高，溫度(du)變化引起的熱(re)應力會誘(you)發電子元器件產生(sheng)脆(cui)性裂(lie)紋(wen)，降低(di)元器件整體的可靠性。金剛石(shi)具有很好的綜合(he)熱(re)物(wu)理性能，其(qi)室溫下的熱(re)導(dao)率為700～2200W/（m·K），熱膨脹系數為0.8×10-6/K。根據混合法則，將(jiang)金(jin)剛石顆粒加入Ag、Cu、Al等高導熱金(jin)屬基體中制備的(de)金(jin)剛石/金(jin)屬基復合材(cai)料，有望成為一種兼(jian)具(ju)低熱膨(peng)脹系數和(he)高熱導率的(de)新型電(dian)子(zi)封裝(zhuang)材(cai)料。
帶有銅涂層(ceng)的金剛石/銅復合材料
以金剛石(shi)作為增(zeng)強(qiang)相的銅(tong)/金剛石（Cu/diamond）基復合材料在理論上熱導率可達1000W·m-1·K-1，是第(di)三(san)代封裝材料(liao)的(de)5倍。這類金剛石/金屬復合材料被稱為第四代電子封裝材料。目前，金剛石／銅金屬基復合材料目前生產效率還較低，生產工藝還較復雜，成本過高，還未能大規模的使用。但綜合的看它的材料特性屬性，確實是“真香”。
二(er)、金剛石/銅復合材料熱導率的影響因素
理(li)論上，金剛石/銅復合材料的綜合性能非常適合用于電子封裝材料，但實際上金剛石/Cu復合材料應用于生產的實際熱導率較低，這主要是由于金剛石/銅復合材料加工技術不成熟及制備工藝復雜所致。綜合目前的研究工作，影響金剛石/Cu復合材料熱導率的影響因素可以概括為如下幾個方面。
1.銅基體的本征熱導率
銅基體(ti)的(de)雜質量越(yue)低，本征熱導率(lv)就越(yue)高，如銅基體(ti)中鉻含量達到0.1%(at/at)時，熱導率降低到260W·m-1·K-1；而(er)在制備(bei)復合(he)材料時(shi)，不同(tong)的界(jie)面(mian)元素與銅(tong)基(ji)體(ti)接觸后有(you)不同(tong)的溶(rong)解度，一方面(mian)，界(jie)面(mian)元素溶(rong)解到基(ji)體(ti)中使基(ji)本本征熱導率的下降；另(ling)一方面(mian)，界(jie)面(mian)元素溶(rong)解在銅(tong)基(ji)體(ti)中后在界(jie)面(mian)處形(xing)成的固溶(rong)體(ti)或者化合(he)物(wu)對熱量的傳輸是不利的。
2.金剛(gang)石的本(ben)征熱導率、體積分數、粒徑大小：
一(yi)般(ban)情況(kuang)下，金(jin)剛石(shi)中氮含(han)量(liang)越低(di)，熱(re)導(dao)率越高(gao)，晶型(xing)越完(wan)整，熱(re)導(dao)率越高(gao)；因此(ci)應選擇晶型(xing)完(wan)整，氮含(han)量(liang)低(di)的(de)金(jin)剛石(shi)作(zuo)為(wei)復合材料的(de)增(zeng)強相；除此(ci)之(zhi)外，金(jin)剛石(shi)表(biao)面受高(gao)溫、催化性元(yuan)素等(deng)影(ying)響易轉變成導(dao)熱(re)性差的(de)類(lei)石(shi)墨相，嚴重影(ying)響金(jin)剛石(shi)的(de)本征熱(re)導(dao)率，從而(er)影(ying)響復合材料的(de)熱(re)導(dao)率。
理論(lun)上(shang)，金剛石(shi)的(de)體積分數(shu)越高，復合材料的(de)熱導率就越高，事實上(shang)取決于(yu)制(zhi)備(bei)(bei)工藝(yi)，采(cai)用(yong)熔滲(shen)法制(zhi)備(bei)(bei)體積分數(shu)為60-65%的金剛石復合材料能夠實現較高的熱導率；金剛石粒徑也是影響復合材料熱導率的一個因素，研究發現納米級金剛石易團聚，制備的復合材料孔隙率高，熱導率較低，一般認為100-500μm金剛石復合材料能夠實現較高的熱導率。
3.界面熱導
界(jie)面熱導(dao)是評價復(fu)合材料界(jie)面結(jie)構對提高熱導(dao)率是否有利(li)的(de)重要(yao)標準(zhun)，因此影(ying)響界(jie)面熱導(dao)的(de)因素(su)都決定著復(fu)合材料的(de)熱導(dao)率。
除基體(ti)與增強體(ti)的本(ben)征熱(re)導(dao)率、增強體(ti)含量及(ji)尺(chi)寸外(wai)，復合(he)界面(mian)是特定(ding)材料體(ti)系中決定(ding)增強體(ti)導(dao)熱(re)增強效果(guo)的關鍵因(yin)素。對于金剛石/Cu復合材料而言，Cu和金剛石的熱導率具有其理論局限性（一般分別不高于400和2000W/(m·K）。雖然理論和實驗研究均表明，采用高含量、大粒徑金剛石在提高復合材料熱導率方面具有明顯優勢，但無限增加金剛石顆粒尺寸（一般不大于400μm）及體積含量（一般不超過70%）并不現實，且會給材料的成型致密化、尺寸精度、表面粗糙度、表面鍍金處理及微區應力分布等帶來巨大挑戰，嚴重制約產品的成品率與適用性。因此，如何有效降低界面熱阻是金剛石/Cu復合材料獲得高導熱性能的關鍵。
對復(fu)合(he)(he)材料的制(zhi)備而言，組元之間相互浸(jin)潤是進行(xing)復(fu)合(he)(he)的必要先行(xing)條件，是影響界(jie)面結構及界(jie)面結合(he)(he)狀(zhuang)態的重要因素。金剛石和Cu的(de)界(jie)面互不潤濕(shi)狀(zhuang)況導致界(jie)面熱阻很高。因此(ci)，通過(guo)各種技術手段對兩(liang)者的(de)界(jie)面進(jin)行改性研究十分關(guan)鍵。目前(qian)，主要有(you)兩(liang)種方法(fa)改善金剛石(shi)與Cu基(ji)之間的界面問題：1）金(jin)剛石表面改性處理，例如在(zai)增強相表層(ceng)鍍Mo、Ti、W、Cr等活性(xing)元素可改善金剛石界面特性(xing)，從(cong)而提高其熱傳導性(xing)能。2）銅基體的(de)合(he)金化處理，在(zai)材(cai)料的復合加工(gong)之前，對(dui)金屬銅進行預(yu)合金化(hua)處理，這樣可制得(de)熱導率(lv)普遍較高的復合材(cai)料。在銅基(ji)體(ti)(ti)中摻(chan)雜活性元素不僅可有效降低金剛(gang)石(shi)與(yu)銅之間的潤濕角(jiao)，還能在反(fan)應后于金剛(gang)石(shi)/Cu界面間生成可固溶于銅基的碳化物層，這樣材料界面間存在的多數間隙得到修飾填充，從而提高了導熱性能。
三、制(zhi)備(bei)方法
粉末冶金(jin)法、放電等離子(zi)燒(shao)結法和液相(xiang)滲透法是目前制備(bei)金(jin)剛石/銅復合材料最理想的工藝，除這三種方法外，制備金剛石/銅復合材料的方法還有很多，例如化學沉積法、機械合金化法、噴射沉積法、鑄造法等。
1.粉末(mo)冶金(jin)法
粉(fen)末(mo)冶金(jin)法是一(yi)種直接混合(he)金(jin)屬粉(fen)末(mo)，在(zai)一(yi)定條(tiao)件(jian)下制備復合(he)材料的冶金(jin)方法.該法的主要生產工藝是先將所需金屬粉末和顆粒增強體等混合均勻，再將混料倒入成型模具中，最后在真空或氣體保護下燒結成預制備的材料。
日本科學家(jia)Yoshida利用高溫高壓的方法，使用粒徑為90~110μm的金剛石顆粒，在1420~1470K的溫度下，加壓4.5GPa，退火15min得到金剛石體積分數為70％、熱導率為742W/(m·K)的金剛石/銅復合材料，他認為金剛石/銅復合材料的熱導率取決于金剛石的粒度和體積分數，而其熱膨脹系數僅取決于金剛石的體積分數。
2.放電等離子燒結法(fa)
放電等離子(zi)燒結法(Spark plasmasintering，SPS)是瞬間將高能電流脈沖施加到裝有粉末的模具上，讓粉末顆粒之間產生放電，使粉末均勻、活化、放電等離子燒結法具有燒結時間短，升溫、降溫速率快，燒結材料均勻的優點，因此受到廣泛關注.
張毓雋等(deng)(deng)采用放(fang)電(dian)等(deng)(deng)離(li)子燒(shao)結法制備了(le)熱導率為305W/(m·K)的金剛石/銅復合材料，并對復合材料的熱導率、致密度、熱膨脹系數進行了研究，當金剛石體積分數不斷升高時，復合材料熱膨脹系數不斷下降，當金剛石體積分數大于65％時，復合材料的致密度與熱導率明顯下降。
3.液相滲(shen)透法
液相滲(shen)透法分為無壓滲(shen)透法和有(you)壓輔助滲(shen)透法，其中有壓(ya)(ya)輔(fu)助滲透(tou)(tou)法又分(fen)為(wei)氣壓(ya)(ya)輔(fu)助滲透(tou)(tou)法和模壓(ya)(ya)輔(fu)助滲透(tou)(tou)法。美國的Lanxide公司最早開發出無壓滲透法，此方法是將純金屬或合金金屬基(ji)體放入加熱(re)爐中(zhong)加熱(re)到(dao)其熔(rong)點以上(shang)，使得金屬(shu)液(ye)在無壓狀(zhuang)態(tai)下自發(fa)熔滲到增強(qiang)體顆(ke)粒層中制備復合材料(liao)。此方法(fa)成本低，操作性強，在(zai)國內外(wai)得到廣(guang)泛應用。
無(wu)壓滲透(tou)法和有(you)壓輔助滲透(tou)法均能制備出理想的金剛石/銅復合材料。無壓滲透(tou)法對金剛(gang)石與銅之間(jian)界面潤濕性的要求(qiu)極高，金剛石與銅之間過渡層必須均勻且完整，相(xiang)較于有壓輔助(zhu)熔(rong)滲，無壓(ya)滲透法的熔(rong)滲時間較長。有壓輔助(zhu)熔滲制備復合材料致密度(du)更易保障，但(dan)高壓易造成金剛石晶體缺陷進而影響復合材料(liao)熱(re)導率。有壓輔助熔滲法對(dui)壓制模具要求(qiu)較高，制備的復合材料(liao)形貌相對單一。無(wu)壓(ya)滲透法可通(tong)過(guo)改變模具形狀，制備(bei)不同形貌的(de)復合材料(liao)，氣壓(ya)輔(fu)(fu)助滲透法(fa)相較于傳(chuan)統的模壓(ya)輔(fu)(fu)助滲透法(fa)，氣體(ti)(ti)壓力分布更為均勻，減少(shao)了金剛石(shi)顆粒在加壓過(guo)程(cheng)中的偏移，所制(zhi)備(bei)的(de)復合材(cai)料顆(ke)粒分布(bu)更(geng)為均勻。
北京科技大(da)學(xue)董應虎(hu)等(deng)利用無壓滲透法制(zhi)備(bei)出金剛(gang)石體積分數36％~44％、致密度高達99.3％、熱導率為350W/(m·K)的金剛石/銅復合材料，對各種(zhong)氣氛(fen)下無壓熔滲(shen)制備(bei)的復合材料進行性能測(ce)試，發現在真(zhen)空(kong)氣氛下(xia)制備的復合材(cai)料(liao)熱導(dao)率(lv)最(zui)高，高純(chun)氬氣氣氛下制備(bei)的復(fu)合材料熱導率(lv)次之，在高(gao)純(chun)度氫氣氣氛下(xia)制(zhi)備(bei)的復合(he)材(cai)料熱導率(lv)最(zui)低，最(zui)優無(wu)壓(ya)熔滲溫度為(wei)1300-1400℃，最佳(jia)無壓熔(rong)滲時(shi)間(jian)為(wei)90-110min。
編(bian)輯：粉體(ti)圈(quan)Alpha
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