金刚石_铜电子封装复合材料的研究状况及展望_赵妍冰

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应用。 综上所述， 传统的电子封装材料不能适应大规 迫切需要研制具有高热导 模集成电路的发展需要， 率且与芯片相匹配的热膨胀系数、 有一定强度且价 格适中的新型电子封装材料。 Zweben［3］指出， 电子封装复合材料在今后主要 PMC （ 树 有四个发展方向： MMC （ 金属基复合材料 ） 、 ） 、 CMC （ ） 、 CCCs （ 碳/ 脂基复合材料 陶瓷基复合材料 碳复合材料） 。 MMC 具有以下特点： （ 1 ） 金属的热导率较高， 复合材料能保证良好的 导热性； （ 2 ） 单一的金属或合金的热膨胀系数过高 ， 但通 过改变增强体的种类、 体积分数和热处理工艺等条 件， 可制备出不同热膨胀系数的复合材料 ； （ 3 ） 复合材料的密度较低， 力学加工性好， 制备
素的合金镀层对复合材料热导率的影响。 研 究 发 Cu0． 5B 金刚石镀层可使复合材料获得 99． 3% 现， 1% Cr 的镀 的相对密度和相对较高的热导率， 而 Cu层效果不明显。这是因为 0． 5% B 的加入使金刚石 表面发生碳化反应， 加强了界面结合， 而 1% Cr 的加 使金刚石和基体 入会使金刚石表面产生大量气泡，
表1 Table 1 材料 Al2 O3 BeO AlN Si GaAs Al Cu Mo W Kovar Invar 热膨胀系数 /10 － 6 ·K － 1 6． 50 6． 80 4． 20 4． 10 5． 80 23． 00 17． 00 5． 00 4． 45 5． 90 1． 60 常用封装材料的性能指标 热导率 / W· （ m · K ） 20 250 250 150 39 230 400 140 168 17 10
Ｒesearch Status and Prospect of CD / Cu Composite for Electronic Packaging Material
ZHAO Yanbing， LIU Keming， LU Deping， YANG Bin
（ 1． State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials， University of Science and Technology Beijing， Beijing China； 100083 ， 2． Institute of Applied Physics，Jiangxi Academy of Sciences，Nanchang Jiangxi 330029 ，China） Abstract ： With the rapid development of electronic information technology，electronic instrument is develfunctionalization，and traditional electronic packaging material can oped miniaturization，portable，multinot meet the need of modern integrated circuit package． Diamond / Cu （ CD / Cu ） composite as new electronic packaging material has the characteristics of high thermal conductivity，controllable thermal expansion coefficient，lower density，etc． In recent years，it becomes hotspot of research． This article outlines the preparation technology and excellent performance of the CD / Cu composite for electronic packaging． And the development of CD / Cu composite for electronic packaging is also reviewed． Key words： electronic packaging material； CD / Cu composite； thermal conductivity
表2 Table 2 牌号
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运用磁控溅射法在金刚石颗粒表面镀铜合金， 并采用粉末冶金技术制备 C D / Cu 复合材料。发现添 人 当金刚石颗粒体积分数为 80% 时复合材料 加 Co 后， 的热导率达 570 W / （ m·K） 。
［13 ］ 夏扬、 宋月清等人 采用 SPS 方法制备 C D / Cu 复合材料， 研究了金刚石表面镀铜和碳化物形成元
－6 2200 W / （ m· K ） ， 热膨胀系数为 0． 8 ˑ 10 / K。 由 于人工合成金刚石技术已很成熟， 其生产成本也大
塑料封装具有价格较低、 质量较轻、 绝缘性能好 等优点。但由于其导热性能差、 耐高温性差、 电性能 和热膨胀系数匹配一般， 气密性不好， 不适用于航空 航天、 军事工程所用的高功率电子产品 。 陶瓷材料有许多优点， 例如高频特性、 绝缘性能 热膨胀系数低、 气密性好、 化学性能稳定， 以及良 高、 好的综合性能， 但是热导率相对较低， 限制它在大功 率集成电路中的应用。 Ag、 Al、 Cu、 W、 Mo 等。 Al 密度 金属材料有 Au、 低， 导热率较好， 容易加工， 成本低， 但其热膨胀系数 较大； Au 和 Ag 的热膨胀系数也较大， 且成本较高， Mo 具有较高的热导率， 不适于广泛应用； W、 但密度 高， 成本较高； 铁镍合金 （ Invar ） 和铁钴镍合金 （ Kovar） 合金具有与半导体芯片相匹配的热膨胀系数， 良好的可焊性， 但热导率较低， 密度高， 也不能广泛
幅度下降， 使人造金刚石在复合材料中的大规模应 用成为可能。 Cu 具有优良的导热性能、 高熔点、 良好的加工 性和导电性， 以及较低的成本， 符合电子封装基体材 。 Cu 料的使用性能要求 但是 的热膨胀系数很高， 为 17 ˑ 10 － 6 / K， 将金刚石和 Cu 复合制备成金刚石 / 铜 复合材料 （ 以下用 C D / Cu 表示 ） ， 具有高的导热性。 通过改变 C D 和 Cu 体积百分含量可以有效控制复合 镀覆性和加工性。 本文概述了 材料的热膨胀系数、 C D / Cu 复合材料的制备工艺及国内外研究状况， 并 对其未来发展方向进行了展望。 2 C D / Cu 复合材料的研究状况 C D / Cu 复合材料被称为 Dymalloy［5］。1995 年，
Performance index of common packaging materials 密度 / g·cm － 3 3． 9 2． 9 3． 3 2． 3 5． 3 2． 7 8． 9 10． 2 19． 3 8． 3 8． 1
工艺成熟， 生产成本较低。 MMC 因其兼具金属基体和增强体性能的优点， 成为新型电子封装材料的首选。 1 ． 2 金刚石强化金属基电子封装复合材料的研究 对于 MMC 来说， 作为增强相颗粒的热导率应该 比基体高才有可能使电子封装复合材料的热导率提 高。考虑到金属基体的热膨胀系数较大， 增强颗粒 才有可能将复合材 的热膨胀系数只有比金属的小， 料的热膨胀系数降下来。 金刚石是一类热导率高、 热膨胀系数低的非金属材料。人工合成的金刚石颗 ［4 ］ 粒一般 情 况 下 （ 在 25 ħ 时 ） 其 热 导 率 为 600
热处理技术与装备
第 34 卷
热应力损坏； （ 3 ） 良好的密封气密性， 能抵御外界的高温、 高 湿、 腐蚀、 辐射等不良环境对电子器件的影响 ； （ 4 ） 综合的力学性能， 封装材料对电子元器件起 到支撑保护作用； （ 5 ） 良好的加工成型和焊接性能， 便于复合材料 的加工成型； （ 6 ） 尽可能低的密度， 对于航空航天领域的封装 材料， 需减轻质量， 便于携带； （ 7 ） 尽可能低的成本。 1． 1 各类电子封装材料的优劣比较 传统的电子封装材料包括塑料封装材料、 陶瓷 ［2 ］ 、 。 Zweben 分析了 封装材料 金属或合金封装材料 常见封装材料的性能指标， 如表 1 所示。
·材料研究·
第 34 卷第 6 期 2013 年 12 月
热处理技术与装备 ＲECHULI JISHU YU ZHUANGBEI
No． 6 Vol． 34 ， Dec， 2013
金刚石 / 铜电子封装复合材料的研究状况及展望
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电子封装材料概述
要求
［1 ］
：
电子封装是指将构成电子器件的各个部件按规 定的要求， 实现合理的布置、 组装、 键合、 连接、 与环 境隔离的操作工艺。 要求封装材料有高的热导率， 低的热膨胀系数， 良好的机械支撑、 物理保护、 电气 连接、 散热防潮、 外场屏蔽、 尺寸过渡以及稳定元件 。 参数等作用 理想的电子封装材料须满足以下基本
1 2 2 赵妍冰 ， 刘克明 ， 陆德平 ， 杨
滨
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（ 1． 北京科技大学新金属材料国家重点实验室 ， 北京 100083 ； 2． 江西省科学院应用物理研究所， 江西 南昌 330029 ） 要： 随着电子信息技术的迅速发展， 电子仪器向小型化、 便携化、 多功能化方向发展， 传统的电子 封装材料已经不能满足现代集成电路电子封装的要求 。 金刚石 / 铜复合材料作为新型电子封装材 摘 料， 具有高的热导率、 可控的热膨胀系数、 较低的密度等特点， 近年来成为研究的热点。 本文概述了 金刚石 / 铜复合材料的制备工艺及优良性能 ， 并对其未来应用进行了展望。 关键词： 电子封装材料； 金刚石 / 铜复合材料； 热导率 003106 中图分类号： TG139 文献标志码： A 文章编号： 1673 － 4971 （ 2013 ） 06-
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赵妍冰等： 金刚石 / 铜电子封装复合材料的研究状况及展望