新型电子封装用金刚石 - 金属复合材料的组织性能与应用-

1、2008年3月第22卷第3期材料导报在微电子技术高速发展的今天,芯片的运算速度越来越快,封装密度也越来越大。高功率集成电路的最高功率密度已经达到660W/cm 2,不久可达1000W/cm 2;快速微处理器及功率半导体器件在应用中常常因为温度过高而无法正常工作。电子器件的散热问题是电子信息产业发展面临的技术瓶颈之一1,2。新型电子封装材料的研究开发已成为提升电子器件功率水平的技术关键。理想的电子封装材料应具有高的热导率、与Si 、GaAs 等半导体材料完全匹配的热膨胀系数、低密度、足够的强度和刚度35。电子封装材料的发展大体可以分为三代。第一代是传统电子封装材料,如W/Cu 、Mo/Cu 、环

2、氧树脂等;第二代是热导率在300400W/(m K 之间的电子封装材料,研究应用较多的是Si/Al 、SiCp/Al 、SiCp/Cu 等复合材料;第三代是热导率在400W (m K 以上的复合材料;主要以高热导率的碳纳米管(Carbon nano tube CNT 、金刚石(Diamond ,Dia 、高定向热解石墨(Highly oriented pyrolytic graphite ,HOPG 作增强相。HOPG 和CNT 都存在各向异性和生产成本昂贵的问题,而金刚石可以人工合成且不存在各向异性,将金刚石与高导热的金属复合可以克服各自单独作为电子封装材料的不足,获得高热导、低膨胀、低密度

3、的理想电子封装材料。图1示出了部分复合材料的热导率(TC 和热膨胀系数(CTE 范围6。从图1可以看出,金刚石/金属复合材料具有高的热导率和与Si 、GaAs 等半导体材料完全匹配的热膨胀系数,是有重要发展潜力的电子封装材料7,8。本文对金刚石/金属复合材料的性能、制备工艺及应用发展进行了综述,并提出了未来的研究开发方向。新型电子封装用金刚石/金属复合材料的组织性能与应用*方针正,林晨光,张小勇,崔舜,楚建新(北京有色金属研究总院,北京100088摘要随着微电子技术的高速发展,金刚石/金属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

4、、热沉材料最有潜力的发展方向之一。对金刚石/金属复合材料的性能、制备工艺及应用发展进行了综述,并提出了未来的研究开发方向。关键词金刚石/金属复合材料电子封装热导率Properties and Application of Diamond/Metal Compositesfor Electronic PackagingFANG Zhenzheng ,LIN Chenguang ,ZHANG Xiaoyong ,CUI Shun ,CHU Jianxin(Beijing General Research Institute of Non-ferrous Metal ,Beijing 100088A

5、bstract With the rapid development of microelectronic technology ,diamond/metal composites as a new genera-tion electronic packaging material have received more and more attention.Diamond/metal composites have more outstanding performance than the traditional electronic packaging materials.They have

6、 the most development potential to be the new gen-eration electronic packaging ,heat sink materials.This paper overviews the properties ,manufacturing process and applications of diamond/metal composites ,and points out the problems to be resolved in the future.Key wordsdiamond/metal ,composites ,el

7、ectronic packaging ,thermal-conductivity图1部分复合材料的热导率和热膨胀系数范围Fig.1Thermal conductivity (TC and coefficients ofthermal expansion (CTE of some compositesC/AI C TE range of Si ,GaAs ,Sillca Alumlna ,Beryllla ,Alumlnum Nitride ,LTCCDiamond-particle-reinforcedMetalsandceramlcs(5501200Coefficient of therma

8、l expanslon/(×10-6/K InvarKovar Al/SiCC/Cu AluminumHOPG(13001700C u /WSiC/CuC/CC/EpSilver T h e r m a l c o n d u c t i v i t y /(W /(m K E-glass pc boardsCopper-551015202510020030040001国内外研发概况1995年美国Lawrence Livermore国家实验室与Sun Mi crosystems公司合作开发了金刚石/铜复合材料,称之为Dy-malloy9,作为多芯片模块(MCM的基板使用,热导率达42

9、0W/ (mK,25200时的CTE为(5.486.5×10-6K-1,可与GaAs 的CTE相匹配,但制备工艺复杂、成本高。近年来,欧美日等工业发达国家和地区都致力于新型电子封装复合材料的研究开发,金刚石/金属复合材料因潜力巨大而成为研究热点之一, L.Weber等1015对金刚石/金属复合材料的性能和制备进行了研究。经过多年的研究开发,在制备性能优异的金刚石/金属复合材料上已有所突破。2002年6月日本Somitomo Electric Industries(SEI公司宣布开发出金刚石/铜复合材料,取名Diamond/metal composite for heat sink(D

10、MCH,其主要性能如表1所示,热导率得到进一步提升。2005年瑞士O. Beffort等16研究了金刚石/铝的结合机理,采用气压熔渗法制备了热导率达375W/(mK金刚石/铝复合材料,在纯铝中添加7.0%(质量分数的硅,可以改善复合材料的性能。2006年日本科学家Yasuyukii Agari等17采用放电等离子烧结法制备出金刚石体积比为60%的金刚石/铜复合材料,其热导率可达600W/(mK以上。目前美国、日本、德国和奥地利在金刚石/金属复合材料研发和小批量生产方面处于领先地位,在微电子、光电子和真空电子封装热沉材料方面的推广应用可在很大程度上替代造价昂贵、加工困难的CVD金刚石厚膜。图2是

11、金刚石/铜复合材料在高功率密度微处理器上的应用。国内对金刚石和金属复合烧结体的研究主要集中在金刚石工具和磨具制造方面。有关单位曾尝试把金刚石颗粒与铜或铝作成复合材料,以期获得优异的综合性能,但实验结果令人失望,材料的孔隙率过高,热导率比期望值低得多23。最近,北京有色金属研究总院、北京科技大学、湖南大学等高校和科研院所开始了相关研究工作。笔者已试制出了高致密度的金刚石/铜复合材料,金刚石经表面改性处理后,在金刚石的体积比为60%时,能制备出相对密度达99%的金刚石/铜复合材料,热导率与国外报道的尚有一定差距,需要对该材料体系高导热的作用机理作进一步深入研究,以期获得稳定的高性能烧结体材料,达到

12、实用化和国际先进水平。制备高性能金刚石/铜复合材料的难点在于金刚石与金属的润湿性极差,难以直接制备出致密的复合材料,孔隙的存在会显著降低材料的热导率。需要对金刚石表面改性,但改性的同时又带来增加界面热阻的新问题,非铜元素的引入又会导致纯铜的热导急剧下降。材料的导热性能对界面十分敏感。在改善金刚石与金属润湿性的同时,减小其界面热阻,获得稳定的高性能复合材料是国内外同行在金刚石/金属复合材料产业化中共同面临的难题。2金刚石/金属电子封装复合材料的性能金刚石/金属复合材料和几种常见电子封装材料的物理性能如表2。从表2中可见,金刚石/金属复合材料的热膨胀系数可以通过控制金刚石的含量来调整,可在实际应用

13、中获得与Si、GaAs等半导体材料完全匹配的热膨胀系数。在热导率方面,金刚石/金属复合材料远优于其它材料,是Si/Al材料的34倍,SiC/Al的2倍以上,保证了封装器件具有优异的热耗散性。该复合材料的密度也较小,Diamond-Al的密度只有3g/cm3左右,在航空航天领域有重要用途。高的弹性模量有利于减小变形,提高封装器件的密封性能2429。3金刚石/金属的导热原理金刚石/金属复合材料的一项关键性能是热导率。一般固体物质可以通过电子传热,也可以通过晶格导热。金属主要靠电子运动传递热量,而金刚石和其它非金属材料主要靠声子导热。一般认为,声子是晶格振动的能量量子,晶格热传导可以看作是声子扩散运

14、动的结果。晶格导热与气体的热传导有相似之处:气体的导热可以看作是一个自由程内冷牌号热膨胀系数10-6/K热导率W/(mK密度g/cm3弹性模量GPaDC40Diamond-Cu46004.6620 DC60Diamond-Cu65505.0410图2金刚石/铜复合材料在高功率密度微处理器上的应用Fig.2Application of diamond/copper composite in higher power demsity micro-processors表1SEI公司金刚石/Cu复合材料的主要性能Table1Physical properties of diamond/copper c

15、ompositesproduced by SEI company新型电子封装用金刚石/金属复合材料的组织性能与应用/方针正等372008年3月第22卷第3期材料导报热分子相互交换位置的结果。根据这种理论可得热导率:k=13c v v(1式中:c v 为单位体积热容,为声子自由程,v 为热运动的平均速度。声子平均自由程的大小由两种过程决定:(1声子间的相互碰撞;(2固体中缺陷对声子的散射30。复合材料的导热受到金刚石单晶颗粒中杂质元素、位错、裂纹等晶格缺陷、残留金属催化剂、金刚石晶格位向及金刚石与金属间界面的影响,它们与声子发生交互作用,成为限制声子自由程的原因,降低材料热导率。金刚石颗粒的大小

16、也对其热导率有影响:金刚石粒度越小,限制声子自由程的界面越多,热导率也越低;随金刚石粒度的增大,界面减少,热导率增大。4影响金刚石/金属复合材料性能的因素金刚石的体积分数、粒度大小、金属或合金的性质等因素影响金刚石/金属复合材料的性能。金刚石/铜复合材料的热膨胀系数和金刚石的体积分数呈近似线形关系。考虑到材料的热膨胀系数要与半导体材料相匹配,金刚石的体积含量一般在50%80%,复合材料热膨胀系数可以控制在(49×10-6K-1之间。图3是金刚石的体积分数、粒度大小对金刚石/铜复合材料热导率的影响。从图中看到,对于金刚石粒度相同的金刚石/铜复合材料,其热导率随着金刚石体积分数的增加而增

17、大;对于体积分数都为70%的金刚石/铜复合材料,其热导率随金刚石粒度的增大而增加。图4是金刚石/Ag-11%Si(原子分数复合材料的热导率与金刚石粒度的关系31。对于人工合成的金刚石(MBD4制备的复合材料,复合材料的热导率随金刚石粒度的增大而增大;当金刚石粒度大于200m 时,复合材料的热导率随金刚石粒度的增大而大幅度下降;采用高品质的金刚石制备的复合材料,当金刚石粒度大于200m 时,热导率也开始下降。这是金刚石本身的缺陷、杂质和界面对其导热过程共同作用的结果。在金刚石/金属复合材料制备中,选择高品质的金刚石和合适的尺寸很重要。结合我们的研究结果,金刚石的粒度控制在100200m 较为合适

18、。值得一提的是,最近有学者研究指出,金刚石的形状对复合材料热导也有影响,金刚石的001面导热比111面要好32。5金刚石/金属复合材料的微观结构图5(a 是金刚石/Cu 复合材料的扫描照片,图5(b 是金刚石/AlSi7复合材料的扫描照片。图中灰黑色的大颗粒为金刚石,白色为金属。从图5可以看到,金刚石占较大体积分数,金刚石与金刚石颗粒相互接触;金刚石颗粒之间的间隙都由金属填充,界50!m100!m图5金刚石/Cu 复合材料(a 和金刚石/AlSi7复合材料(b 的扫描照片Fig.5SEM micrograph of the diamond/copper composite(a and diam

19、ond/AlSi7composite(a (b 材料热膨胀系数×10-6/K热导率W/(m K 密度g/cm 3弹性模量GPa Diamond-Cu 474007005-Diamond-Ag 585006506.0450-490Diamond-Al 793505003.011.01502.5120表2金刚石/金属复合材料和几种常见封装材料的物理性能Table 2Physical properities of diamond/metal and someelectronic packaging materialsT h e r m a l c o m d u c t i v i t y

20、 /(W (m K Diamond particle size /!m2090406090110900300400500600700100200080.%70.%65%90%75%50.%图3不同金刚石粒度和体积分数的金刚石铜复合材料的热导率Fig.3Thermal conductivities of diamond and coppercomposite materials of different particle size andfractions of diamond+×图4金刚石/Ag-11%Si (原子分数复合材料的热导率与金刚石粒度的关系Fig.4Composite t

21、hermal comductivity of a Ag-11at%Si/diamond composite with variable inclusion sizeDiamond grit size /!m600700750800850550400650300200100500T h e r m a l c o m d u c t i v i t y /(W (m K Defect limitedMBD4High qualityInterface limited38面结合处有部分裂纹存在,结合并不紧密。界面结合问题是国内外研究者面临的共同难题33。作者认为金刚石构成骨架成为主要导热通道,界面热

22、阻小,而金属完全充填其间隙辅助导热和改善其机加工性能是金刚石/金属的理想结合状况。6展望综合国内外研究现状,虽然在新型电子封装用金刚石/金属复合材料的研究制备上已经取得了重大进展,已有少量产品进入市场,但产业化仍面临着以下问题:(1如何有效地改善金刚石与金属的润湿性,这是国内外同行共同面对的问题。金刚石与金属润湿性极差,金刚石金属化是解决这一问题的有效途径。(2金刚石与金属间的界面问题。这是制备稳定高性能金刚石/金属复合材料的关键,也是实现产业化的难点。目前,对于金刚石/金属界面结合状况、界面层的厚度、组成元素等对热性能的影响仍缺乏认识,在改善润湿性的同时要尽量减少增加热阻。金刚石与金属的导热

23、机理也不同,需要对界面做更深入的研究。(3改善机械加工性能、表面粗糙度、电镀和焊接等工艺性能,降低生产成本,扩大其应用范围。金刚石/金属复合材料是最具发展潜力的电子封装材料之一,有十分广阔的应用前景。随着研究的不断深入,将会在电子工业中得到广泛应用,以提升电子器件功率水平,促进电子工业的发展。参考文献黄强,等.电子封装用金属基复合材料的研究现状J.电子与封装,2003,3(2:22童震松,等.金属封装材料的现状及发展J.电子与封装,2005,5(3:6田民波.电子封装工程M.北京:清华大学出版社,2003.4Carl Zweben.Advances in composite materials

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36、d by powder metallurgy for heat sink applications.Mater Sci Eng:A,2007,475(1:39(责任编辑何欣2728 29 30 3132 33金属粉末成形技术若干进展/钟仁显等(1将温压技术与高速压制技术相结合,将可能成为高速压制技术和温压技术创新和研究的热点。(2金属粉末注射成形技术结合了粉末冶金和塑料注塑成形2种技术的优点,突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制,在粉末成形领域显示了很大的优势和具有广阔的应用前景。(3选区激光烧结技术是以“全致密化”为主要目标的新型粉末技术,具有良好的发展前景。参考文献张建兵,李小

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