电子封装用低膨胀、高导热Cu基复合材料的制备及其性能研究

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随着电子元器件朝着更小、更轻和更快的趋势发展,其集成化程度也急剧升高,伴随而来的是芯片发热量大幅增加,以及材料的受热变形,传统的Al和Cu等封装材料已无法满足其热性能要求,因此开发低膨胀、高导热封装材料成了一个必然趋势。本文以Cu为基体材料,以负热膨胀材料Sc2W3O12和低热膨胀材料SiC为增强相,采用粉末冶金法制备了Cu/Sc2W3O12和Cu/SiC/Sc2W3O12复合材料,并对所得复合材料的微观结构和热性能进行了详细表征。  本研究主要内容包括:⑴使用分步固相法制备的片状Sc2W3O12粉为原料,和Cu粉按不同质量比混合均匀后,压制成Φ10mm×1.5mm的圆片,通过常压还原气氛烧结制备出Cu/Sc2W3O12复合材料,通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对其微观组织进行了表征,使用热机械分析仪(TMA)测定其热膨胀系数,用激光闪射仪(LFA)测量其导热系数。结果显示,复合材料热膨胀系数最小值为2.1×10-6/K,当温度高于600℃时,复合材料内部出现了Cu0.4W0.6合金相,为避免合金化,选择600℃作为复合材料的烧结温度,但低于高致密度Cu的烧结温度,导致复合材料致密度不高,导热也受影响,导热系数最大值为77.5W/(m?K)。⑵为提高复合材料的致密度,选用真空热压烧结制备Cu/Sc2W3O12复合材料,考察了Sc2W3O12颗粒形貌和烧结温度对复合材料微观组织、热性能的影响。结果表明,以纳米Sc2W3O12粉为原料,于700℃制备的*Cu60复合材料的致密度最高,达到92.44%,且Cu基体形成了均匀、完整的网络状结构,有利于热量的传导,相应的*Cu60复合材料的导热系数和热膨胀系数分别为243.99W/(m?K)和9.02×10-6/K,硬度也达到了234.32HV。提高烧结温度到800℃后,小颗粒Sc2W3O12出现了再结晶,*Cu60复合材料的热膨胀系数进一步降为7.27×10-6/K,接近于Si或GaAs等芯片材料的热膨胀系数值,致密度下降为91.6%,相应的导热系数也下降为208.64W/(m?K),硬度下降为205.4HV,因考虑到封装材料对于低膨胀、高导热的应用要求,Cu/Sc2W3O12复合材料的最佳热压烧结温度为800℃。⑶为了进一步改善Cu/Sc2W3O12复合材料的热性能,引入纳米SiC颗粒作为第二增强相,采用真空热压烧结制备了Cu/SiC/Sc2W3O12复合材料,研究了SiC含量及烧结温度对复合材料显微组织和热性能的影响,结果表明,SiC增强相的引入提高了复合材料的致密化烧结温度,当烧结温度提高到1000℃,烧结进行充分,断口形貌显示为规则的韧窝断口,且复合粉体的两种增强相颗粒分布均匀;纳米SiC粉末的加入增加了烧结活化能,促进了1000℃时熔融态Cu的流动,复合材料的最大致密度达到了92.86%,相应的热膨胀系数和导热系数分别为13.33×10-6/K和251.18W/(m?K),其热膨胀系数有些偏高,不符合应用要求,而1000℃烧结所得60%Cu10%SiC30%Sc2W3O12复合材料的热膨胀系数仅为7.12×10-6/K,相应的导热系数为230.60W/(m?K),二者均满足封装材料的应用条件。
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