热管理用金刚石/Al复合材料的制备工艺与性能研究

第三代宽禁带半导体技术的发展，对热管理材料的性能提出更高要求。金刚石/Al复合材料具有高导热、低密度、各向同性和可调的线膨胀系数等优异性能，可以满足新一代半导体材料与器件的热管理需求，具有广阔的应用前景。由于金刚石/Al复合材料难以加工成复杂部件，限制了其应用范围。因而，探索其近净成形工艺具有重要意义，可以有效促进其在电子封装领域的应用。本文研究了金刚石颗粒化学镀铜工艺的优化，金刚石/Al复合材料热压-液相烧结法和挤压浸渗法制备工艺与热物理性能，取得主要成果如下： 1.采用硼氢化钾体系通过化学镀方式在金刚石颗粒表面均匀镀覆晶粒细小（约35nm）且较薄（约210nm）的铜层；pH的升高能显著增强镀液稳定性，过高pH会降低沉积速率且限制镀层增厚；亚铁氰化钾可以整平铜层和细化晶粒；甲醇能抑制副反应，提高沉积速率，两者联用能够保证镀液稳定和镀层均匀平整。 2.应用热压-液相烧结法结合金刚石颗粒镀铜工艺制备金刚石/铝基复合材料，所制复合材料相对密度大于95%，体积分数为50-63%，热导率达413W/m·K，线膨胀系数为9×10-6K-1；金刚石颗粒镀铜可以提高复合材料的致密度和热导率，降低其热膨胀系数；以纯铝与AlMg5为基体制备的复合材料因界面存在氧化物层，界面结合力弱，其热导率低于基体热导率且线膨胀系数较大；以AlSi12合金为基体制备的复合材料界面结合力强，其热导率高且线膨胀系数较小；AlSi12基体在金刚石｛100｝面上发生选择性粘附，共晶硅相以金刚石｛100｝面上的过渡层为异质形核衬底进行生长；液相烧结温度和烧结时间对金刚石/AlSi12复合材料的热导率影响较大；随着烧结时间的延长和温度的升高，复合材料中Al4C3含量增加。 3.以正硅酸乙酯水解液为粘结剂，先通过注浆成形制备金刚石预制件，后采用挤压浸渗法制备金刚石/Al复合材料，所制备复合材料的相对密度高于98%，体积分数达70-75%，热导率达256W/m·K，热膨胀系数仅为5.8×10-6K-1，其性能基本满足热管理材料要求。粘结剂含量、煅烧温度和氧化钠含量是影响金刚石预制件强度的重要因素。延长浸渗时间可增加金刚石/Al界面结合强度；金刚石/Al界面在780℃条件下浸渗形成厚约300nm的过渡层，其由C、Al、O等元素组成。 4.利用Kerner模型和Turner模型对金刚石/铝复合材料的热膨胀系数的理论值进行计算和比较，采用Hasselman-Johnson模型和微分有效介质（DEM）模型分别计算金刚石/Al复合材料的界面热导和预测理论热导率。结果表明：热压-液相烧结制备的复合材料热膨胀系数与Kerner模型预测值符合较好；热压-液相烧结法制备的金刚石/AlSi12的界面热导约为Kapitza界面热导的1/5；挤压浸渗制备的金刚石/Al复合材料热导率达到DEM理论预测值的2/5，尚需进一步提升。