稀有金属 2013,37(05),840-844

热冲击对金刚石/铜复合材料的热学性能影响

白智辉 郭宏 张习敏 尹法章 韩媛媛 范叶明

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心

北京科技大学材料科学与工程学院

摘 要：

采用压力浸渗和超高压熔渗法制备不同界面状态的金刚石/铜复合材料, 分析界面状态对热学性能的影响, 重点研究在-65¹25℃和-196⁸5℃两种热冲击载荷下, 循环100周次后材料的热导率和热膨胀系数的变化规律。结果表明:通过添加Cr元素的Dia/CuCr和使用超高压制备的EHV-Dia/Cu, 材料的界面状态得到了改善;界面强度的提高, 有利于获得高热导率, 低热膨胀系数的复合材料。Dia/Cu的热导率仅有459.1 W·m-1·K-1, 而EHV-Dia/Cu高达678.2 W·m-1·K-1, Dia/CuCr则为529.7 W·m-1·K-1。-55¹25℃的热冲击条件下, Dia/Cu, Dia/CuCr, EHV-Dia/Cu的热导率保持良好的稳定性, 变化在2.5%以内。而在-196⁸5℃的热冲击条件下, Dia/Cu由于界面结合力弱, 在热应力的作用下热导率急剧下降;Dia/CuCr和EHV-Dia/Cu则表现出了良好的抗热冲击能力, 循环后热导率仅下降3%左右。Dia/Cu和Dia/CuCr的初始热膨胀系数分别为8.45×10-6K-1和6.93×10-6K-1, Cr元素的添加使得界面结合强度提高, 低膨胀系数的金刚石对高膨胀系数的基体约束力增加, 使得热膨胀系数明显下降。在两种热冲击实验条件下, Dia/Cu的热膨胀系数基本保持不变, Dia/CuCr分别上升6.64%和7.22%。

关键词：

金刚石/铜复合材料;界面;热冲击;热导率;热膨胀系数;

中图分类号： TB333

作者简介：白智辉 (1989-) , 男, 广西桂林人, 硕士;研究方向:电子封装用金属基复合材料;郭宏, E-mail:guohong@grinm.com;

收稿日期：2013-03-27

基金：国家自然科学基金项目 (50971020) 资助;

Influences of Thermal Shock on Thermal Properties of Diamond / Copper Composite

Bai Zhihui Guo Hong Zhang Ximin Yin Fazhang Han Yuanyuan Fan Yeming

National Engineering Research Center for Nonferrous Metals Composites, General Research Institute for Nonferrous Metals

School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing

Abstract：

Different interface states of diamond /copper composites were prepared by pressure Infiltration and EHV Infiltration. The effect of interface state on thermal performance was investigated. The samples were submitted to 100 thermal shock cycles from- 65 to125 ℃ or from- 196 to 85 ℃. Thermal properties such as thermal conductivity and expansion coefficient were measured before and after thermal cycles. The results showed that the interfaces states of Dia / CuCr and EHV-Dia / Cu were significantly improved. The improved bonding strength would be conducive to obtain a composite material with high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient. The thermal conductivity of Dia / Cu was only 459. 1 W·m- 1·K- 1, while that of EHV-Dia/Cu was up to 529. 7 W·m- 1·K- 1and the thermal conductivity of Dia / CuCr was 529. 7 W·m- 1·K- 1. In the thermal shock test from- 55 to 125 ℃, the thermal conductivity of Dia / Cu, Dia / CuCr and EHV-Dia / Cu maintained a good stability, each group changed within 2. 5%. In the thermal shock test from- 196 to 85 ℃, the thermal conductivity of Dia / Cu declined rapidly after 100 thermal cycles because of its weak interface binding strength. However, the Dia / CuCr and EHV-Dia / Cu performed excellent thermal shock resistance, with their thermal conductivity only declined about 3%. The initial coefficient of thermal expansion ( CTE) of DiaCu and Dia / CuCr were 8. 45 × 10- 6K- 1and 6. 93 ×10- 6K- 1separately. Cr addition improved the interfacial bonding strength. Low CTE of diamond increased constraining force to the high CTE of substrate, so that the CTE decreased significantly. In the two experimental conditions of thermal shock, CTE of DiaCu remained stable, Dia / CuCr increased by 6. 64% and 7. 22%, respectively.

Keyword：

diamond / copper (Dia / Cu) composites; interface; thermal shock; thermal conductivity; thermal expansion coefficient;

Received： 2013-03-27

在过去的几十年里, 微电子集成技术的迅速发展导致微电子器件的集成度和运行速度的显著增加, 在可预见的未来也将继续发展下去^[1]。随着电子设备的功率密度的不断增长^[2], 设备功耗也越来越大, 这必然会导致元器件核心部件的发热量大大增加^[3]。芯片的发热问题直接关系到微电子器件的可靠性, 在半导体器件中, 温度每升高18℃, 失效的可能性就增加2~3倍^[4], 而先进热管理材料的发展, 正是解决这一问题的有效途径之一。先进热管理材料需要具备有高热导率, 同时为了保证组件焊接的可靠性, 应最大限度的减小热应力, 因此热管理材料还需要具有半导体材料相匹配的热膨胀系数^[5]。

金刚石/铜复合材料作为最新一代的热管理材料, 由高热导率、低膨胀的金刚石和导热性能良好的铜制成的互不固溶且能发挥各个组元特性的复合材料, 在热管理和电子封装领域潜力巨大。早在1995年, 美国Sun Microsystems公司与Lawrence Livermore国家实验室联合开发了金刚石/铜复合材料, 称之为Dymalloy^[6]。在随后的十多年里, 学者们的主要研究重点是在制备方法, 如Yoshida Katsuhito等^[7]利用高温高压, Schubert等^[8]选用脉冲放电等离子烧结, Hanada等^[9]则用粉末冶金的方法制备, 都成功获得了不同性能的金刚石/铜复合材料。张习敏等^[10,11]主要研究了界面结合状态对材料的热导率影响。韩媛媛等^[12]则通过在金刚石中部分掺杂Si C颗粒, 对微观结构和性能的变化进行了探讨。随着金刚石/铜复合材料逐步开始应用到实际当中, 对金刚石/铜复合材料自身的热学稳定性提出了更高的要求。

金刚石/铜复合材料制备过程中存在着残余应力^[13], 使用过程中, 工作温度会不断变化, 在加热和冷却过程中, 由于二者的热膨胀系数存在较大的差距 (铜合金16×10^-6K^-1;金刚石1.35×10^-6K^-1) , 从而材料自由膨胀或收缩受到约束, 内部会产生热应力。热应力随温度的反复变化, 可能会引起材料性能不断下降, 最终将导致热疲劳失效^[14]。Parry等^[15]在研究中发现, 当元器件处于静态温度环境中的时候, 并不容易造成元器件的损害, 当环境中温度出现变化时, 材料可能发生热疲劳损耗, 器件的损坏几率才会增加, 而这与温度循环振幅、温度梯度、材料匹配度息息相关。本实验采用压力浸渗和超高压的两种制备方法制备金刚石/铜复合材料, 选用了空气介质法和液体介质法, 通过热导率和热膨胀系数两个重要的热学性能指标, 来评价材料的抗高低温极值交替冲击的能力, 为其进一步研究和应用提供科学依据。

1 实验

1.1 材料制备

实验选用原料为市售的MBD6金刚石, 电解铜 (纯度≥99.99%) 及电解铬粉 (纯度≥99.96%) 。压力浸渗制备工艺:首先制备金刚石预制件胚体, 然后进行脱脂, 熔渗温度选用1200~1400℃, 压力20~40 MPa。超高压制备工艺:温度1200~1400℃, 压力4~6 GPa。实验样品说明见表1。

表1 实验材料Table 1 Experimental materials  下载原图

表1 实验材料Table 1 Experimental materials

1.2 实验方法

空气介质法:极限温度为-65, 125℃, 极限温度的停留时间为15 min, 循环100周次;液体介质法:极限温度为-196, 85℃, 极限温度的停留时间为30 s, 循环100周次。

利用Hitachi S-4800冷场发射扫描电镜观察金刚石/铜复合材料的断面形貌, 分析金刚石与基体的界面结合情况。复合材料上切割出Φ12 mm×3mm的试样, 用NETZSCH公司的laser flash apparatus测量循环前后材料的热导率。利用德国耐驰公司生产的DIL402自动热膨胀仪, 测量循环前后材料的轴向热膨胀系数, 试样尺寸为25 mm×3 mm×2 mm。

2 结果与讨论

2.1 金刚石/铜复合材料微观形貌

图1为3种金刚石/铜复合材料的断口扫描图, 由于制备方法与合金成分的不同, 3种复合材料的断口也展现了不同的形貌。如图1 (a) 所示, 由于金刚石与铜间润湿性差且不反应, Dia/Cu中的金刚石表面比较干净, 与基体间存在着一定的缝隙, 结合的并不好。大部分金刚石整颗从铜基体中剥离, 依然保持原有完整的晶形, 表明金刚石与基体的结合力小于金刚石自身的强度, 界面为整个材料的薄弱环节, 受力时首先从界面处断开。

而在Cu基体中添加容易与金刚石反应的Cr^[16], 则可以使得界面结合强度得到明显的改善。在高温与压力的作用下, Cr与金刚石发生化学反应, 形成冶金结合, 如图1 (b) 所示, Dia/Cu Cr的基体中可以看到与金刚石反应后留下的网状花样。由于冶金结合使得界面强度提高, 界面结合强度大于金刚石自身强度时, 部分金刚石在脆断过程中则被拉断, 而断开的金刚石依然与基体保持紧密的结合。在不添加Cr的情况下, 利用超高压的制备方法, 使界面进行机械结合来改善界面强度。如图1 (c) 所示, 在4~6 GPa的压力作用下, EHV-Dia/Cu中的金刚石与基体间结合紧密, 金刚石颗粒之间也发生了部分的界面聚晶反应, 大部分金刚石发生了断裂, 断口平整, 表明界面结合强度得到了很大的提高。

2.2 热冲击对金刚石/铜复合材料热导率的影响

热导率是热管理材料的关键性能参数。在温度变化的环境下, 由于金刚石与铜热膨胀系数相差很大, 温度上升时基体受压应力, 而金刚石则表现为拉应力, 温度下降时则刚好相反^[17]。在使用过程中, 界面处是应力变化最集中处, 而界面又正是复合材料的薄弱环节, 能否保持界面结合良好, 是否影响到材料的热导率, 直接关系到整个器件的可靠性。

图2是3组金刚石/铜复合材料在两种热冲击条件循环前后的热导率。由于界面结合较差, Dia/Cu的初始值仅有459.1 W·m^-1·K^-1, 而界面更好的Dia/Cu Cr热导率则达到了529.7 W·m^-1·K^-1, 超高压制备的EHV-Dia/Cu更是高达678.2 W·m^-1·K^-1。在空气介质-65~125℃的条件下, 冲击循环100周次过后, 在-65~125℃液体介质中冲击循环100周次后, 3组材料的热导率变化都不大, Dia/Cu下降2.35%, Dia/Cu Cr基本保持不变, EHV-Dia/Cu下降1.14%。

图1 金刚石/铜复合材料的断面形貌Fig.1 Fractural morphologies of diamond/Cu composites

(a) Dia/Cu; (b) Dia/Cu Cr; (c) EHV-Dia/Cu

图2 金刚石/铜复合材料循环100周次前后的热导率Fig.2Thermal conductivity of diamond/Cu composites meas-ured before and after 100 thermal cycles

在-196~85℃的条件下, 冷却介质由气体改为液体, 冲击循环100周次过后, Dia/Cu热导率急剧下降34.29%, 降至301.7 W·m^-1·K^-1。在极限温度幅度更大, 温度变化速率更快的温度冲击下, 界面处由于热膨胀失配引起更大的热应力。由于Dia/Cu在界面结合强度不高, 界面间存在缝隙的情况下, 界面结合力小于热应力, 从而使材料失效。通过添加Cr, 与金刚石发生化学反应, 改善界面强度后, 材料的热导率有了明显的提升。Dia/Cu Cr的抗热冲击能力得到了显著的加强, -196~85℃的条件100周次过后, 热导率保持在513.6W·m^-1·K^-1仅下降了3.04%。在超高压条件下, 不仅使金刚石与基体结合紧密, EHV-Dia/Cu在小范围内发生聚晶反应, 部分金刚石与金刚石之间相互连接, 增强体连通使得抗热冲击能力进一步增强。在苛刻的-196~85℃的条件下, 表现出了良好的稳定性, 热导率变化仅为2.36%。

2.3 热冲击对金刚石/铜复合材料热膨胀系数的影响

热管理材料的另一项重要指标是热膨胀系数, 通过调节增强体的体积分数, 可以满足不同的需要, 与其他材料相匹配。本实验选用的是压力浸渗方法制备的体积分数为60%的金刚石/铜复合材料, 经受两种条件下100周次热冲击考核, 材料冲击前后的热膨胀系数见图3。

从图3可见, Dia/Cu的初始值要明显大于Dia/Cu Cr, 这是由于Dia/Cu的界面结合不好, 金刚石与基体间存在着缝隙, 使得低膨胀系数的金刚石对高膨胀系数的基体约束力下降。两种热冲击条件下, Dia/Cu的热膨胀系数基本不变, 维持在8.5×10^-6K^-1左右。Dia/Cu Cr在循环前是6.93×10^-6K^-1, 热冲击-65~125℃的条件下, 循环100周次后, 热膨胀系数增加至7.39×10^-6K^-1, 上升6.64%;196~85℃的条件下, 热膨胀系数为7.43×10^-6K^-1, 则增加了7.22%左右。针对界面结合强度较好的材料进行预循环处理, 有利于材料的热膨胀系数更加稳定。

图3 金刚石/铜复合材料循环100周次前后的热膨胀系数Fig.3Coefficient of thermal of diamond/Cu composites meas-ured before and after 100 thermal cycles

3 结论

1.加强金刚石/铜复合材料的界面结合强度, 有利于获得高热导率, 低热膨胀系数的材料。

2.-55~125℃的热冲击条件下, Dia/Cu, Dia/Cu Cr, EHV-Dia/Cu的热导率保持良好的稳定性, 变化在2.5%以内。

3.-196~85℃的热冲击条件下, Dia/Cu由于界面结合力弱, 在热应力的作用下热导率急剧下降;通过添加Cr元素的Dia/Cu Cr和使用超高压制备的EHV-Dia/Cu, 材料的界面都得到了明显的改善, 循环后热导率下降3%左右, 体现了良好的抗热冲击能力。

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