超高导热金刚石铜复合材料在GaN器件中的应用

金刚石铜具有高导热率和低膨胀系数,可用于大功率芯片的散热热沉。未做处理的金刚石表面非常光滑,不易附着其他金属,由于金刚石性质非常稳定,不容易被强酸和强碱进行表面处理。采用JG-01金刚石铜粗化处理液对金刚石进行粗化处理,而对铜无损伤,提升了金刚石表面结合力。金刚石铜镀层对金锡(AuSn)和锡铅(PbSn)焊料的润湿性满足GJB548B-2005要求。GaN功率放大器芯片采用金刚石铜热沉比铜钼铜热沉结温可以降低12℃。金刚石铜载板镀层润湿性良好,焊接后芯片底部的空洞率不大于3%,热沉焊接后空洞率不大于5%,满足高功率芯片散热要求。按照产品环境适应要求,对GaN功率放大器做了高低温冲击和机械振动两种环境筛选实验,最终满足可靠性考核要求。

金刚石/铜-硼复合材料界面结构及其对热导率和力学性能的影响

通过控制硼含量制备不同界面结构的金刚石/铜复合材料,研究复合材料的界面显微组织及其对热性能和力学性能的影响。结果表明,界面处形成微米级B4C齿状结构,该结构为界面结合提供冶金结合和机械啮合的双重作用。金刚石/铜-硼复合材料获得最高为695 W/(m·K)的热导率和535 MPa的弯曲强度。金刚石与B4C之间形成具有金刚石(111)//B4C (104)取向关系的半共格界面。微纳米级齿状结构可提高界面声子传输效率和界面结合强度。

表面掺杂增强金刚石/铜复合材料界面结合的计算研究

采用基于密度泛函理论的材料模拟程序CASTEP模块,研究B、N、Si掺杂对金刚石表面结构的影响。结果表明,B、N、Si的掺杂可以改变金刚石表面的电子状态,其中硼原子会与碳原子形成强的键合作用,而硅和氮原子则形成弱的键合作用。并以B、N、Si封端金刚石作为增强体,分析掺杂金刚石对金刚石/铜复合材料的影响,结果表明,对金刚石进行表面掺氮和掺硅可以提高金刚石/铜界面的结合强度,其中掺氮的效果最好。电子态密度表明,掺杂金刚石表面第一层原子在费米能级附近的电子状态分布对电子-声子耦合有利。

钨粉粒径对金刚石扩散镀钨影响的研究

金刚石镀钨能够改善铜与金刚石的润湿性,有助于合成金刚石/铜复合材料。采用扩散烧结法对金刚石表面进行处理,研究钨粉粒径对镀层的影响。并对试验机理及规模化生产的可行性进行了论述。试验结果表明:钨粉粒径过小或过大时均镀覆失败,其最佳镀覆粒径为金刚石粒径的1/3~2/3;金刚石烧结量对镀层影响关系很小,真空扩散镀钨烧结法适用于工业批量生产。

模拟研究碳化钛涂覆铜/金刚石复合材料的界面热导

利用分子动力学模拟,从微观角度定性分析了碳化物界面层的厚度、体系热浴位置、温度及应变对涂覆碳化钛的铜/金刚石复合材料的界面热导(ITC)的影响规律。结果发现,复合材料的界面热导随碳化钛界面层厚度的增加先增加后减小,与试验数据的变化趋势一致;当碳化钛界面层为3层时,复合材料的界面热导最佳。通过设置体系的不同热浴位置进行模拟分析,发现其对导热的影响不大。模拟结果表明,升高温度与压缩应变能够改善复合材料的界面热导。研究结果对进一步理解及优化铜/金刚石复合材料的界面热导提供了理论参考。

电子封装用高导热金刚石/铜复合材料的研究进展

金刚石/铜复合材料由于具有热导率高、热膨胀系数低等优异的特性,已经逐步替代传统的散热材料,成为新一代电子封装材料。近年来,价格不断下降的人造金刚石和铜这种相对价格低廉的金属结合,实现人们对电子封装材料性能优越、成本可控的要求。介绍了金刚石/铜复合材料的主要制备方法以及如何改善与提高这类材料的热导率。然而,对于当前工业化的迅猛发展以及5G时代的到来,如何实现高热导率的金刚石/铜复合材料的大规模工业生产,仍然是一个挑战。

铜/金刚石复合材料化学镀铜后的组织结构和焊接性

铜/金刚石复合材料具有高的热导率及与半导体材料相匹配的热膨胀系数,是功率器件散热的理想材料。但由于金刚石的非金属特性,铜/金刚石复合材料在使用过程中存在焊接性差的问题。针对该问题,通过化学镀铜来提高铜/金刚石复合材料的润湿性和焊接性。在化学镀铜之前,先用稀硫酸粗化复合材料,然后用氯化亚锡溶液敏化,再用氯化钯溶液活化。通过扫描电镜、X射线衍射和拉拔试验研究了化学镀铜时间对镀层微观形貌、厚度、晶相结构及膜基结合强度的影响。结果表明,化学镀铜60 min时镀层较为均匀、致密,膜基结合强度最高,尤其是金刚石粒径为116μm的铜/金刚石复合材料表面铜镀层的膜基结合强度达27.6 MPa。在相同的镀覆条件下,金刚石粒径小的铜/金刚石复合材料的膜基结合强度高于金刚石粒径大的铜/金刚石复合材料。润湿角测试和焊料铺展试验结果表明,铜/金刚石复合材料表面化学镀铜后焊接性提高。

电子封装中高散热铜/金刚石热沉材料的电镀技术研究

随着半导体封装载板集成度的提升,其持续增加的功率密度导致设备的散热问题日益严重。金刚石-铜复合材料因其具有高导热、低膨胀等优异性能,成为满足功率半导体、超算芯片等电子封装器件散热需求的重要候选材料。文章采用复合电镀法成功制备了铜/金刚石复合材料,考察了不同复合电镀的工艺方法、金刚石含量、粒径大小对复合材料微观结构、界面结合以及导热性能的影响。并通过优化复合电镀方式,金刚石添加量等工艺参数,制备了无空洞、界面结合紧密的高导热复合材料;仅添加8.8 vol%的金刚石,使复合材料的导热率从393 W/(m.K)增加到462 W/(m.K)。本技术可以应用于半导体封装领域,并进一步增强芯片的散热性能。

铜/镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积的研究进展

铜-金刚石复合镀层用于电火花加工的工作电极,可以提高电极在电火花加工中的耐久性;镍-金刚石复合镀层用于硬脆材料的精加工,能提高精度且不损伤材料。本文总结了影响镀层性能的诸多因素,分析了铜/镍-金刚石复合电沉积研究现状,介绍了旋转式电极的复合电沉积发展进程,采用旋转圆柱电极方式的复合电沉积工艺可以细化晶粒,抑制边缘效应,提高镀层质量。因此,铜/镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积的研究将有利于旋转刀具镀层的制备,发展前景广阔。

超高导热金刚石铜表面镀涂技术研究

金刚石铜复合材料具有高导热率和低膨胀系数,在微电子领域用作Ga N和Si C等高功率芯片的散热热沉,可以显著降低大功率芯片的结温,提高电子产品的可靠性和寿命。通过在金刚石铜复合材料表面上化学镀镍金的方法使表面金属化以改善其焊接性。未做处理的金刚石表面非常光滑,难以和其他金属附着,由于金刚石性质非常稳定,不容易被强酸和强碱表面处理,铜较活泼,采用一般处理方法容易使铜处理过度,而金刚石没反应。对比采用了硝酸、硫酸、氢氧化纳、喷砂、人工打磨等多种方法对金刚石铜表面前处理,效果有限。根据金刚石铜材料特性采用JG-01金刚石铜粗化处理液,能够有效对金刚石进行粗化处理,且对铜无损伤,在金刚石表面形成了连续的蜂窝状微孔,提升金刚石表面镀涂结合力。金刚石铜粗化后通过活化、敏化、化学镍、镀金等镀涂工艺,镍金镀层附着力满足军标热震试验、高温烘烤要求,镀金层覆盖率达到100%,镀层粗糙度显著降低,镀层对金锡和锡铅焊料的可焊性满足产品使用要求。

金刚石/铜复合材料在电子封装材料领域的研究进展

金刚石/铜复合材料作为新型电子封装材料受到了广泛的关注。综述了金刚石/铜复合材料作为电子封装材料的国内外研究现状,介绍了金刚石/铜复合材料的制备工艺,并从材料科学的原理综述了该复合材料主要性能指标(热导率)的影响因素,同时对金刚石/铜复合材料的界面问题进行了分析,最后对金刚石/铜复合材料的未来应用进行了展望。

金刚石/铜复合材料热导率研究

采用高温高压法制备出金刚石/铜复合材料,并对复合材料的显微组织及性能进行了研究。结果表明,采用高温高压法制备的金刚石/铜复合材料,组织致密;复合材料的热导率随金刚石含量的增加而下降,这主要是由于界面热阻对复合材料热导率的影响。

电子封装用金刚石/铜复合材料界面与导热模型的研究进展

金刚石/铜复合材料具有高热导率、高强度、热膨胀系数可调的优点,是极具发展潜力的新一代电子封装材料。针对复合材料两相界面结合较差的问题,目前主要采用添加活性元素在界面处生成碳化物层的方法来改善。论述了活性元素添加的两种手段,即基体合金化和金刚石表面金属化的研究进展,并归纳了金刚石/铜复合材料导热模型的发展情况,最后提出了金刚石/铜复合材料在界面研究中面临的挑战和其未来努力的方向。

高温高压烧结金刚石-铜复合材料的研究

采用高温高压烧结工艺制备了金刚石体积分数为80%的金刚石-铜复合材料。研究了金刚石颗粒大小、烧结温度、烧结时间等因素对复合材料成分、界面状态和热导率的影响。结果表明:金刚石颗粒直径为80μm时,在高温高压条件下可获得热导率高达639 W.m-1.K-1的金刚石-铜复合材料。当金刚石体积分数一定时,存在一临界粒径,随金刚石颗粒直径增大复合材料热导率先增大后减小。恰当的烧结温度和时间有助于获得黏结良好的界面和高热导率。

金刚石/铜复合材料与氧化铝陶瓷的Ag-Cu-Ti活性钎焊(英文)

金刚石/铜复合材料具有低膨胀系数和高热导率等优异性能,使其成为一种理想的电子封装材料。采用97%(72Ag-28Cu)-3%Ti活性钎料对金刚石/铜复合材料和氧化铝陶瓷进行钎焊。发现活性钎料在氧化铝陶瓷和金刚石薄膜表面均具有良好的润湿性,在两者表面的平衡润湿角均小于5°。讨论了主要钎焊条件(如钎焊温度和保温时间等)对接头性能的影响。发现钎焊过程中Ti元素聚集在金刚石颗粒的表面形成TiC化合物,且TiC化合物的形貌与钎焊接头的剪切强度具有紧密联系。推测合适的TiC化合物层厚度可改善钎焊接头的剪切强度,而颗粒状的TiC化合物及过厚的TiC化合物层却会损害钎焊接头的性能。获得的最大剪切强度为117MPa。

金刚石/铜复合导热材料的界面结构研究

本文采用FIB手段制备出金刚石/铜复合材料的截面样品,并利用SAED、EELS和HRTEM对金刚石-镀层界面处的结构和化学成分进行研究。结果表明:在热处理过程中,金刚石中的碳原子扩散至硼镀层中生成了B4C相;镀层中的B原子扩散至金刚石衬底中,其扩散深度为22.81nm。这两种元素的互扩散提高了金刚石和硼镀层的界面结合强度,有利于提高复合材料的导热性能。

金刚石/铜复合材料中金刚石石墨化的研究

通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱对用作电子封装材料的金刚石/铜复合材料中金刚石的石墨化进行了研究,结果表明,利用先进的两面顶设备及工艺制备的金刚石/铜复合材料中金刚石并未石墨化,并对此结果进行了讨论。

粉末冶金法制备金刚石/铜复合材料热导率研究

为研制更高热导率的产品,采用粉末冶金法将金刚石与高纯度铜粉热压在一起,制备新型金刚石/铜复合材料。通过正交分析法,研究了金刚石/铜复合材料热导率的影响因素。结果表明:用粉末冶金法制备的金刚石/铜复合材料,其热导率最高为245.89 W/(m·K)。对金刚石/铜复合材料热导率影响最大的因素是金刚石与铜粉的体积比,并且随着体积比的增大,金刚石/铜复合材料热导率逐渐下降。金刚石/铜复合材料的致密度以及界面结合程度是影响金刚石/铜复合材料热导率大小的重要因素,致密度高、界面结合好的复合材料热导率高,反之则低。

超高压烧结法制备金刚石/铜复合材料的性能研究

采用超高压烧结法制备了金刚石/铜复合材料。研究了烧结温度、烧结压力及保温时间等因素对复合材料成分、界面状态和热导率的影响。利用XRD、SEM及EDS分析了金刚石/铜复合材料的相组成、微观形貌及界面结合状态。通过拉曼光谱对金刚石/铜复合材料中金刚石的石墨化进行了研究,结果表明:金刚石体积分数为65%时,烧结温度在1300℃时致密度可达98.8%,热导率达到200W/(m·K)。金刚石体积分数为50%,随着保温时间的延长热导率有所增加,在1200℃保温10min,热导率可达240W/(m·K)。金刚石在超高压烧结中未发生石墨化。

SPS工艺对铜/金刚石复合材料性能的影响

采用SPS(放电等离子烧结)工艺制备了高体积分数铜/金刚石复合材料,研究了SPS中主要的工艺参数烧结温度、保温时间和烧结压强对复合材料相对密度和热导率的影响。结果表明:最佳的烧结温度为930℃;热导率和相对密度随保温时间延长有所提高,20min后趋于稳定;而随烧结压强由10MPa提高到70MPa,热导率约上升15%。经过优化工艺后,所制备的铜/金刚石复合材料最高热导率达到354.1W(m.K)–1,最高相对密度为98.4%。