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邹小姐：13326633089 -
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电(dian)子封装材料(liao)的(de)(de)应用(yong)需要考(kao)虑两大基本性能要求(qiu)，首(shou)先(xian)是(shi)高(gao)的(de)(de)热导率（Thermalconductivity，TC，实现热量的快速传递，保证芯片可以在理想的温度条件下稳定工作；同时，封装材料需要具有可调控的热膨胀系数（CoefficientofThermalExpansion，CTE），从而与芯片和各级封装材料保持匹配，降低热应力的不良影响。而电(dian)子(zi)封装材料的发展轨迹是对这两项(xiang)性(xing)能的不断提(ti)高与优(you)化。
一、高导热封装材料：“金(jin)刚石+金属”复合材(cai)料
铜和铝等金属(shu)材料导(dao)热(re)性能良好(hao)(hao)，但热(re)膨胀系数高，温度变(bian)化引起(qi)的热(re)应力会诱发电子元器(qi)件(jian)产生脆(cui)性裂纹，降低元器(qi)件(jian)整体的可靠性。金刚石具有很好(hao)(hao)的综合(he)热(re)物理性能，其(qi)室(shi)温下的热(re)导(dao)率为700～2200W/（m·K），热膨胀系数为0.8×10-6/K。根据混合法则(ze)，将(jiang)金刚石颗粒加入(ru)Ag、Cu、Al等高(gao)(gao)导(dao)热(re)金属基(ji)体中制(zhi)备(bei)的(de)金刚石/金属基(ji)复合材料，有望成为一种兼(jian)具低热(re)膨胀(zhang)系数和高(gao)(gao)热(re)导(dao)率(lv)的(de)新(xin)型电子封(feng)装(zhuang)材料。
带有铜涂层的金(jin)刚石/铜复合材料
以(yi)金(jin)刚石作为增强(qiang)相的铜/金刚石（Cu/diamond）基复合材料在理论上热导率可达1000W·m-1·K-1，是第三代(dai)封装材(cai)料的5倍。这类金刚石/金属复合材料被称为第四代电子封装材料。目前，金刚石／铜金属基复合材料目前生产效率还较低，生产工艺还较复杂，成本过高，还未能大规模的使用。但综合的看它的材料特性属性，确实是“真香”。
二、金(jin)刚石/铜复合材料热导率的影响因素
理论上，金(jin)刚石/铜复合材料的综合性能非常适合用于电子封装材料，但实际上金刚石/Cu复合材料应用于生产的实际热导率较低，这主要是由于金刚石/铜复合材料加工技术不成熟及制备工艺复杂所致。综合目前的研究工作，影响金刚石/Cu复合材料热导率的影响因素可以概括为如下几个方面。
1.铜基体(ti)的本征热导率
铜(tong)基(ji)体的杂质量越(yue)低(di)，本征热导(dao)率就(jiu)越(yue)高，如铜(tong)基(ji)体中铬(ge)含量达到0.1%(at/at)时，热导率降低到260W·m-1·K-1；而在(zai)制(zhi)备复合材料时，不(bu)同的界(jie)面元(yuan)素(su)与铜(tong)基体(ti)接触后有不(bu)同的溶(rong)(rong)解度，一(yi)方面，界(jie)面元(yuan)素(su)溶(rong)(rong)解到基体(ti)中使基本本征热导率的下降；另一(yi)方面，界(jie)面元(yuan)素(su)溶(rong)(rong)解在(zai)铜(tong)基体(ti)中后在(zai)界(jie)面处形成(cheng)的固溶(rong)(rong)体(ti)或者(zhe)化(hua)合物对(dui)热量的传输是不(bu)利(li)的。
2.金(jin)刚(gang)石的(de)本征热导率、体积分数、粒(li)径大小(xiao)：
一般情况(kuang)下，金(jin)刚(gang)石(shi)中氮含(han)(han)量越(yue)低，热导率越(yue)高，晶(jing)型越(yue)完整，热导率越(yue)高；因(yin)此应选(xuan)择晶(jing)型完整，氮含(han)(han)量低的(de)金(jin)刚(gang)石(shi)作为(wei)复(fu)合材料(liao)(liao)的(de)增(zeng)强(qiang)相(xiang)；除此之外，金(jin)刚(gang)石(shi)表面(mian)受(shou)高温、催化性(xing)元素等影响易(yi)转变成导热性(xing)差(cha)的(de)类石(shi)墨(mo)相(xiang)，严重影响金(jin)刚(gang)石(shi)的(de)本征热导率，从而影响复(fu)合材料(liao)(liao)的(de)热导率。
理论上，金刚(gang)石的(de)体(ti)(ti)积分(fen)数越高，复合材料(liao)的(de)热(re)导率(lv)就越高，事(shi)实上取决(jue)于制备工艺，采(cai)用熔渗法(fa)制备体(ti)(ti)积分(fen)数为60-65%的金刚石复合材料能够实现较高的热导率；金刚石粒径也是影响复合材料热导率的一个因素，研究发现纳米级金刚石易团聚，制备的复合材料孔隙率高，热导率较低，一般认为100-500μm金刚石复合材料能够实现较高的热导率。
3.界面(mian)热(re)导
界(jie)(jie)面热(re)导是评价(jia)复(fu)合(he)材料(liao)界(jie)(jie)面结构对提(ti)高热(re)导率是否有利的(de)重要(yao)标(biao)准(zhun)，因(yin)(yin)此(ci)影(ying)响界(jie)(jie)面热(re)导的(de)因(yin)(yin)素都决定(ding)着复(fu)合(he)材料(liao)的(de)热(re)导率。
除基体(ti)(ti)与增(zeng)(zeng)强(qiang)体(ti)(ti)的(de)本征(zheng)热导率、增(zeng)(zeng)强(qiang)体(ti)(ti)含量及尺寸外，复合(he)界面是特(te)定(ding)材料体(ti)(ti)系中决(jue)定(ding)增(zeng)(zeng)强(qiang)体(ti)(ti)导热增(zeng)(zeng)强(qiang)效果(guo)的(de)关键因素。对于金刚石/Cu复合材料而言，Cu和金刚石的热导率具有其理论局限性（一般分别不高于400和2000W/(m·K）。虽然理论和实验研究均表明，采用高含量、大粒径金刚石在提高复合材料热导率方面具有明显优势，但无限增加金刚石颗粒尺寸（一般不大于400μm）及体积含量（一般不超过70%）并不现实，且会给材料的成型致密化、尺寸精度、表面粗糙度、表面镀金处理及微区应力分布等带来巨大挑战，严重制约产品的成品率与适用性。因此，如何有效降低界面热阻是金刚石/Cu复合材料获得高导热性能的关键。
对复合(he)材料的制备而(er)言，组元之间相互浸润(run)是进行复合(he)的必要先(xian)行条件，是影响界(jie)面结(jie)构及界(jie)面结(jie)合(he)状态的重要因素。金刚石和Cu的(de)界面(mian)互不(bu)润湿状况导致界面(mian)热阻很高。因此，通过各种技(ji)术手段(duan)对(dui)两者的(de)界面(mian)进(jin)行(xing)改性研(yan)究十分关键。目前，主要有两种方法(fa)改善金(jin)刚(gang)石与Cu基之间(jian)的界面问题：1）金刚(gang)石表(biao)面(mian)改性(xing)处理，例如在增强相(xiang)表层镀Mo、Ti、W、Cr等活性(xing)元(yuan)素可改善金刚石界面(mian)特性(xing)，从(cong)而(er)提高(gao)其热传导性(xing)能。2）铜基(ji)体的合金化处理，在材(cai)(cai)料的(de)复合加工之前，对金(jin)属(shu)铜(tong)进行预合金(jin)化处理，这样可制得热(re)导(dao)率普遍较高的(de)复合材(cai)(cai)料。在铜基体中掺杂活性元素不(bu)仅可有(you)效降低金刚石(shi)与铜之间(jian)的润湿(shi)角，还能在反应(ying)后于金刚石(shi)/Cu界面间生成可固溶于铜基的碳化物层，这样材料界面间存在的多数间隙得到修饰填充，从而提高了导热性能。
三、制备方(fang)法
粉末冶金法、放电等离子烧结法和(he)液相渗(shen)透法是目前制备金刚石/铜复合材料最理想的工艺，除这三种方法外，制备金刚石/铜复合材料的方法还有很多，例如化学沉积法、机械合金化法、喷射沉积法、铸造法等。
1.粉末冶金法(fa)
粉末冶(ye)金(jin)法是一种直接混合金(jin)属粉末，在一定(ding)条件下制(zhi)备复合材料(liao)的(de)冶(ye)金(jin)方法.该法的主要生产工艺是先将所需金属粉末和颗粒增强体等混合均匀，再将混料倒入成型模具中，最后在真空或气体保护下烧结成预制备的材料。
日本科学家Yoshida利用高温高压的方法，使用粒径为90~110μm的金刚石颗粒，在1420~1470K的温度下，加压4.5GPa，退火15min得到金刚石体积分数为70％、热导率为742W/(m·K)的金刚石/铜复合材料，他认为金刚石/铜复合材料的热导率取决于金刚石的粒度和体积分数，而其热膨胀系数仅取决于金刚石的体积分数。
2.放(fang)电等离(li)子烧结法
放电等离子(zi)烧结(jie)法(Spark plasmasintering，SPS)是瞬间将高能电流脉冲施加到装有粉末的模具上，让粉末颗粒之间产生放电，使粉末均匀、活化、放电等离子烧结法具有烧结时间短，升温、降温速率快，烧结材料均匀的优点，因此受到广泛关注.
张毓隽等采用放电(dian)等离(li)子(zi)烧结法(fa)制备了热导率为305W/(m·K)的金刚石/铜复合材料，并对复合材料的热导率、致密度、热膨胀系数进行了研究，当金刚石体积分数不断升高时，复合材料热膨胀系数不断下降，当金刚石体积分数大于65％时，复合材料的致密度与热导率明显下降。
3.液相(xiang)渗透法
液相渗(shen)(shen)透(tou)法(fa)(fa)分为无(wu)压渗(shen)(shen)透(tou)法(fa)(fa)和(he)有压辅助渗(shen)(shen)透(tou)法(fa)(fa)，其(qi)中有压(ya)辅助(zhu)渗透(tou)法又(you)分(fen)为气压(ya)辅助(zhu)渗透(tou)法和模(mo)压(ya)辅助(zhu)渗透(tou)法。美国的Lanxide公司最早开发出无压渗透法，此方法是将纯金属或合金金属基体放入加热炉中(zhong)加热到(dao)其熔点以(yi)上，使得金属(shu)液在(zai)无压(ya)状态下自发熔渗到增强体颗粒层中制(zhi)备复合材料(liao)。此方法成本低，操作(zuo)性强，在国内外得到广泛应用。
无压(ya)渗透法(fa)和有压(ya)辅助渗透法(fa)均能制备(bei)出理想的金刚石/铜复合材料。无压渗透法对金刚石与(yu)铜(tong)之间(jian)界面润湿性的要求极高，金刚石与铜之间过(guo)渡层必须(xu)均匀且(qie)完整，相较(jiao)于有(you)压(ya)辅助熔(rong)渗，无压渗透法的熔渗时间较长。有压辅助熔渗(shen)制(zhi)备复(fu)合(he)材料致密(mi)度更易保障，但高压易(yi)造成金刚石晶体缺陷进(jin)而影响复合材(cai)料(liao)热导率(lv)。有压辅助熔渗法对压制模具要求较高(gao)，制备的复合(he)材料(liao)形貌相(xiang)对单一。无压渗透(tou)法可通过改(gai)变模具(ju)形状(zhuang)，制备不同形貌(mao)的复合(he)材料，气压辅(fu)(fu)助渗(shen)透法(fa)相较于传统(tong)的模(mo)压辅(fu)(fu)助渗(shen)透法(fa)，气(qi)体压力分(fen)布更为均匀(yun)，减少(shao)了金刚石颗粒在加压过程中的偏(pian)移(yi)，所制备的复合(he)材料颗粒(li)分布更为均匀。
北京科技大学(xue)董应虎等利用无(wu)压渗透法制备出金刚石体积(ji)分数36％~44％、致(zhi)密度高(gao)达99.3％、热导率为350W/(m·K)的金刚石/铜复合材料(liao)，对(dui)各种气氛下无压熔渗制备的(de)复合材料进行性能测(ce)试(shi)，发现在真空气(qi)氛下制备的(de)复合材料(liao)热导(dao)率最(zui)高，高纯(chun)氩(ya)气气氛(fen)下制备的复合(he)材料热导率次之，在高纯度氢气(qi)气(qi)氛下制备的(de)复合材料热导率(lv)最低，最优无压熔渗(shen)温(wen)度为(wei)1300-1400℃，最佳无压熔渗时间(jian)为90-110min。
编辑(ji)：粉(fen)体圈(quan)Alpha
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