金刚石/铜复合材料的界面调控和导热性能研究

摘要

随着高功率电子元器件和大规模集成电路的兴起与发展，作为电子封装材料用的高导热、低膨胀系数、高性能的金刚石/铜复合材料越来越受到高端电子技术领域的青睐。　　本文针对金刚石/铜复合材料中存在的金刚石和铜在界面处结合不好等问题，首先分别采用化学镀铜法和热扩散法镀钨对金刚石颗粒进行表面金属化处理，然后再与一定比例的铜粉混合，分别通过放电等离子烧结和热压烧结制备出致密的金刚石/铜复合材料。采用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、热导仪、热膨胀仪和万能试验机等表征方法对金刚石颗粒的微观形貌、物相组成和金刚石/铜复合材料的微观形貌、物相组成、热导率、热膨胀系数、抗弯强度等性能进行表征。分别研究了原料配方、烧结方法和烧结温度等因素对于金刚石/铜复合材料的显微结构、相对密度、抗弯强度、热导率和热膨胀系数等性能的影响规律，阐明了导热机理，主要的研究结果如下：　　⑴采用放电等离子烧结在900-1050oC、40 MPa压力的条件下烧结经化学镀铜后的金刚石颗粒与铜粉的混合粉体得到的金刚石/铜复合材料的相对密度随着烧结温度的升高先增大后减小，当烧结温度为1000 oC时达到最大值为98.76%；金刚石的含量对烧结后的复合材料的致密度和热导率也有影响，随着金刚石含量的增加，金刚石/铜复合材料的致密度减小，其热导率呈现先增加后减小的变化趋势，当金刚石含量为55 vol.%时，其热导率达到最大值为353.95 W/(m·K)。　　⑵ 采用放电等离子烧结在900-1050 oC、40MPa压力的条件下烧结经热扩散法镀钨后的金刚石颗粒与铜粉的混合粉体得到的金刚石/铜复合材料的相对密度、热膨胀系数、热导率和抗弯强度都随着烧结温度的升高呈现出先增大后减小的趋势；以上各性能指标随着金刚石含量的增加而减少，其中在950 oC烧结得到的金刚石含量为50 vol.%的复合材料的热导率最高，其值为579.67 W/(m·K)，相对密度为98.18%，抗弯强度为127.33±4.73 MPa，热膨胀系数为7.78×10-6/K。通过Hasselman-Johnson模型计算出复合材料的界面热阻R=3.1×10-8 m2·K/W，为理想界面热阻的1.48倍，说明钨元素的引入有效改善了金刚石和铜界面结合强度，降低了界面热阻，提高了其复合材料的热导率。　　⑶采用热压烧结在950-1100oC、30 MPa压力条件下烧结经热扩散法镀钨后的金刚石颗粒与铜粉的混合粉体得到的金刚石/铜复合材料的相对密度、热膨胀系数、热导率和抗弯强度也随着烧结温度的升高呈现出先增大后减小的趋势，以上性能指标也随着金刚石含量的增加而减少；其中在1050 oC热压烧结得到的金刚石含量为50 vol.%的复合材料的热导率最高，其值为364.24W/(m·K)，相对密度为96.39%，抗弯强度为123.00±2.83 MPa，热膨胀系数为6.86×10-6/K。以上各项性能指标均低于放电等离子体烧结得到的相同配方的金刚石/铜复合材料的性能指标，说明放电等离子体烧结技术可以净化晶界，进一步促进金刚石与铜界面的结合，有利于制备高导热率的金刚石/铜复合材料。

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