电子封装用高导热低膨胀率W/Cu复合材料的研究

摘要

随着集成电路向小型化,高性能和低成本方向的发展,对与其相匹配的封装热沉材料提出了高导热、高密度、高刚度、低成本的要求。鉴于钨铜基金属复合材料具有低膨胀和高导热的优异特性,本研究旨在通过设计粒度组成、制备技术和控制工艺参数系统深入探讨并制备出满足工业化生产和性能要求的封装热沉材料。 研究中采用热化学镀法、溶胶凝胶法和高能球磨法分别制备出了W/Cu复合粉体,然后把该粉体用熔渗烧结和类注射成型法烧结制出了添加纳米粒子和常规熔渗的W/Cu块体复合材料。通过扫描、电子透射、X射线衍射仪及激光导热仪等手段研究粉体和块体性能,探讨各工艺参数对材料性能和组织结构的影响,获得的主要结果有： 1.采用正交试验方法,优化了W粉热化学镀铜工艺。利用热化学镀可以在W粉表面均匀包覆一层铜。较佳的钨粉表面化学镀铜工艺为：五水硫酸铜20g/L、酒石酸钾钠13.6g/L、乙二胺四乙酸二钠27.3g/L、甲醛15ml/L、PH=12、温度约60℃、钨粉粒径为10μm。 2.利用高能球磨和溶胶凝胶法可制备出粒度小于30nm的纳米级W/Cu复合粉体,溶胶凝胶法中的还原温度、PH值大小和添加剂影响复合粉的大小；高能球磨粉末粒度随高能球磨时间的延长而减小,最后趋于一稳定值。 3.以化学镀法获得的铜包覆钨粉为原料,通过压制烧结可制备出孔隙均匀分布、孔隙可控的钨网络骨架,类注射法和添加纳米粒子法也能获得孔隙较均匀的钨骨架,它们均优于传统钨骨架的制备技术。 4.用铜包覆钨粉可制备出组织分布均匀、致密度高的W/Cu15复合材料,渗铜后密度能达到16.18g/cm3、硬度217HB、电导率25μΩ·cm、热导率199W/(mk);用类注射成型法制取的WCu15复合材料,密度达到16.20g/cm3、硬度230HB、电导率为25μΩ·cm、热导率205W/(mk);添加纳米粒子法制备的WCu15复合材料,密度达到16.59g/cm3、硬度252HB、电导率为23μΩ·cm、热导率197W/(mk);添加造孔剂法制备的同样成分钨铜复合材料,密度为10.43g/cm3、硬度小于95.5HB、电导率为16μΩ·cm、热导率123W/(mk);它们的热膨胀系数均小于7×10-6/K。本研究为高性能纳米钨铜复合材料的产业化和工业应用提供了一定的实验基础和依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1电子封装材料

1.1.1电子封装材料及其作用

1.1.2微电子工业对电子封装材料的基本性能要求

1.1.3电子封装材料的制备及其发展

1.2金属基复合材料

1.2.1复合材料概述

1.2.2金属基复合材料的制备及其进展

1.3纳米粒子及纳晶材料

1.3.1纳米材料概述

1.3.2纳米粒子及纳晶材料的研究进展

1.4本文的研究思路及主要内容

2 W／Cu复合粉体及复合材料的制备

2.1 W／Cu复合粉体的制备

2.1.1机械混合法

2.1.2溶胶凝胶法

2.1.3热化学镀法

2.1.4机械合金化法

2.2 W／Cu复合材料的制备

2.2.1熔渗法

2.2.2类注射成型烧结法

2.2.3添加纳米粒子法

2.2.4网络骨架预烧结法

2.3组织与性能测试

2.3.1扫描电镜、透射电镜与能谱

2.3.2金相组织

2.3.3 X射线衍射分析

2.3.4化学成分分析

2.3.5硬度

2.3.6密度

2.3.7导热及导电率

2.3.8热膨胀系数

3 W／Cu复合粉体的组织形貌分析

3.1热化学镀Cu包覆W复合粉体

3.1.1 Cu包覆W粉末的评价

3.1.2化学镀包覆粉末的热力学和动力学

3.1.3影响化学镀包覆粉末的因素

3.2纳米复合W／Cu粉体

3.2.1溶胶凝胶法制备的纳米W／Cu复合粉体

3.2.2高能球磨机械合金化制备的纳米W／Cu复合粉体

3.3机械混合W／Cu粉体

3.4机械混合粉与包覆粉的对比

4 W／Cu复合材料的组织与性能分析

4.1不同工艺条件下制备的W／Cu复合材料的显微组织

4.2 W／Cu复合材料的力学性能及分析

4.2.1密度

4.2.2硬度

4.3 W／Cu复合材料的物理性能及分析

4.3.1 W／Cu复合材料的导热及导电率

4.3.2 W／Cu复合材料的热膨胀率

4.4 W／Cu复合材料的性能影响因素探讨

4.4.1提高W／Cu复合材料致密度与导热性的几点设想

5.结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文