铜基表面超音速火焰喷涂制备W-Cu复合涂层及散热性能的研究

摘要

随着集成电路集成度的不断增加以及芯片特征尺寸的不断减小,散热是其面临的最关键的挑战性问题。虽然近几年国内外研究出热导率高达500 W/(m·K)的金属基增强相复合散热材料,但其制备工艺复杂,制作成本高,目前短时间内无法大规模应用,故开发研究一款新型的高热导率与制备简易的封装散热材料势在必行。本文针对钨铜合金散热材料的导热率偏低的技术难题,采用涂层技术在高导热率铜基上制备钨铜涂层,结合表面钨铜涂层的低热膨胀系数和基体无氧铜的高导热率的综合性能,得到一种新型具有高导热率、低热膨胀系数与制作简单的铜基钨铜涂层复合散热材料。依据多因素多水平多目标可视化设计法设计了5因素11水平的11组实验,采用XM-8000燃油超音速火焰喷涂工艺在无氧铜基材上制备粉末配比不同的钨铜涂层复合散热材料,利用超景深数码显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等表征分析涂层的微观形貌和相成分,同时利用导热系数测试仪、热膨胀仪和显微硬度计等测试分析试样的导热性能、热膨胀性能、显微硬度等,研究了燃油流量、氧气流量、送粉电压、载气流量、粉末配比对该复合涂层热导率、热膨胀系数、显微硬度的影响,研究结论如下:1)试样的截面形貌主要由内层变形基体、涂层与基材的界面和表面涂层组织这三部分组成,且涂层截面形貌图表明界面处无明显的缺陷和颗粒夹杂物,涂层与基材结合致密。复合涂层的物相主要由立方W相、立方Cu相组成,同时也存在少量的Cu2O和WO3。2)通过多因素多水平多目标可视化分析法对试验因子与试验指标进行分析,得到满足指标热导率≥280W/(m·K)、CTE≤9×10-6/k、显微硬度≥200HV0.2的最佳工艺参数范围:燃油流量3638L/h,氧气流量500550L/h,送粉电压6.57.8V,载气流量400450L/h,铜的质量分数16%20%。3)在最佳工艺参数范围内选取两组参数进行试验验证,测得温度为50℃时涂层热导率在290310W/(m·K)之间,相对于传统的钨铜合金散热材料而言其热导率将近提高了100W/(m·K),且涂层的比热容与热导率是随着温度的递增而升高,预示着温度越高该复合材料散热性能越好。测得涂层的热膨胀系数在814×10-6/K之间,相对于纯铜的CTE(17×10-6/K)将近降低了约一半,但其CTE随着温度升高而递增,原因是温度越高,钨铜涂层对无氧铜基材热膨胀的缓冲作用越来越小。两个试样的涂层截面显微硬度值都达到220HV0.2,相比较其基材无氧铜(150HV0.2)提高了约70HV0.2,预示着该铜基钨铜涂层复合散热材料相较于基材无氧铜来说耐磨性提高了许多。综上所述,本文成功制备了一款热导率高达300W/(m·K)的铜基钨铜涂层复合散热材料,并系统研究分析了钨铜含量、热喷涂工艺参数对铜基钨铜涂层复合散热材料性能的影响,为该复合材料在散热领域的工业化应用提供了具有实际应用的参考价值。

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 电子封装及封装材料

1.1.1 电子封装技术的概述

1.1.2 电子封装材料的要求

1.1.3 各种封装材料的优劣对比

1.2 热喷涂概述

1.2.1 热喷涂原理

1.2.2 超音速火焰喷涂

1.3 多因素多水平多目标可视化设计法与分析法

1.3.1 试验设计的发展概况

1.3.2 可视化设计与分析方法的技术原理与应用

1.4 研究内容与研究意义

第2章 实验方法

2.1 实验材料

2.1.1 基体材料

2.1.2 喷涂材料

2.2 实验设备

2.3 实验方案

2.4 涂层的制备工艺

2.4.1 喷涂前预准备

2.4.2 超音速火焰喷涂

2.5 组织表征

2.5.1 金相试样的制备

2.5.2 涂层显微结构分析

2.5.3 涂层相结构分析

2.6 性能测试

2.6.1 密度

2.6.2 热扩散系数

2.6.3 比热容

2.6.4 热导率

2.6.5 热膨胀系数

2.6.6 显微硬度

2.6.7 涂层结合强度

2.7 本章小结

第3章 涂层的组织结构分析

3.1 涂层截面形貌

3.2 涂层的相成分分析

3.3 本章小结

第4章 多因素多水平多目标可视化分析试验数据与结论

4.1 多因素多水平多目标可视化设计的试验结果

4.2 试验因素对涂层热导率的影响分析

4.2.1 燃油流量在氧气流量变化下对热导率的影响

4.2.2 燃油流量在送粉电压变化下对热导率的影响

4.2.3 燃油流量在载气流量变化下对热导率的影响

4.2.4 粉末配比在氧气流量变化下对热导率的影响

4.2.5 粉末配比在送粉电压变化下对热导率的影响

4.2.6 粉末配比在载气流量变化下对热导率的影响

4.3 试验因素对涂层热膨胀性能的影响分析

4.3.1 粉末配比在氧气流量变化下对CTE的影响

4.3.2 粉末配比在送粉电压变化下对CTE的影响

4.3.3 粉末配比在载气流量变化下对CTE的影响

4.3.4 燃油流量在氧气流量变化下对CTE的影响

4.3.5 燃油流量在送粉电压、载气流量变化下对CTE的影响

4.4 试验因素对涂层显微硬度的影响分析

4.5 可视化分析综合结论

4.6 最优工艺参数的实验验证结果

4.7 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢