中南大学硕士学位论文摘要摘要随着电子电路集成规模的日益提高，电路工作时发热量亦相应升高，从而对具有高导热性和与集成电路芯片膨胀系数相匹配的新材料提出了迫切的需求本论文以制备热导率高、热膨胀系数与半导体材料相匹配的封装材料为目的，采用单晶金刚石颗粒为增强体，分别利用复合电沉积工艺和粉末冶金工艺制备出了金刚石／铜复合材料利用X R D 、金相显微镜、扫描电镜、透射电镜对复合材料的微观组织特征进行了研究，利用热膨胀测试仪、热导率测试仪等手段测试了复合材料的物理性能，着重研究了各工艺条件对复合材料热导率和热膨胀系数的影响，获得如下研究结果：( 1 ) 通过实验研究，对金刚石化学镀铜镀液成分进行优化，得到最佳镀液组成为：C u S O ·5 H 0 浓度1 5 9 ／L 、E D T A ／酒石酸钾钠= 1 ．0 、p H 值1 2 ．5 、甲醛( 3 6 ％) 浓度1 5 9 ／L ；采用优化的镀液对金刚石进行化学镀，金刚石表面形成完好镀铜层 2 ) 采用正交实验，研究优化了金刚石／铜材料复合电沉积工艺，得到工艺参数为：电流密度2 ．2A ／d m 2 、搅拌速度1 5 0 r p m 、金刚石在镀液中的含量5 9 ／L 、颗粒尺寸1 01 ．tI l l 。
在此条件下，金刚石／铜复合材料中金刚石体积分数在2 ～5 ％之间，热导率值可达到4 3 0 W ／( m 哟 ( 3 ) 采用热压烧结法，在压力为2 0 M P a ，烧结温度为9 5 0 ℃的条件下制各出了金刚石／铜复合材料金刚石颗粒表面化学镀处理可以明显改善金刚石／铜复合材料的导热和热膨胀性能，其中化学镀N i —W 合金后，金刚石／铜复合材料的热导率和热膨胀系数等综合性能最佳’( 4 ) 利用H a s s e l m e n & J o h n s a n 公式分别计算出了化学镀N i 、化 学镀N i —W 以及未经化学镀处理的金刚石／铜复合材料界面导热系数，发现化学镀N i —w 金刚石／铜界面具有最高的导热系数，其平均值为5 ．5 ×1 0 ' W ／( m Z K ) ( 5 ) 通过对制备出的金刚石／铜复合材料热导率和热膨胀系数进行理论模型计算，发现：当金刚石体积分数 5 ％，t h e r m a le o n d u c t i v i t va g r e et oH a s s e l m a nv a l u e ；w i t ht h ei n c r e a s e m e n to fV di nD i a m o n d ／C uc o m p o s i t e ，t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fc o m p o s i t ei sn e a rt oK e m e rc u r e v eg r a d u a l l y ．K E YW O R D Sc o p p e r ，d i a m o n d ，e l e c t r o l e s sp l a t i n g ，c o m p o s i t ee l e c t r o d e p o s i t i o n ，p o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n o l o g y ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，c o e f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o n原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明作者签名：璧垂翠日期：墨! 宰年』月丑日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文作者签名：缉导师签名：星刍牵日期：j 出』月4 日中南大学硕士学位论文第一章文献综述第一章文献综述2 0 世纪八十年代起，微电子封装技术以及封装材料己逐渐成为影响微电子技术发展的重要因素之一，它们对系统的影响己变得和芯片一样重要随着微电子领域的高速发展，电子元器件的集成密度越来越高，发热量也越来越大，对封装散热材料的要求也越来越高目前，各种新型封装材料已成为各国竞相研发的热点，新型微电子封装材料不仅要有高的热导率，而且还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数正是在这样的背景下，以高热导率填料增强的金属基复合材料己经成为众多封装材料中的一支独秀。
铜是工业领域最重要的工程材料之一，其优良的导电性能及高的导热性能吸引着封装材料制造业的目光，铜及铜合金在电子封装领域得到了广泛的运用金刚石是已知自然界中热导率最高的物质，单晶金刚石的热导率可达到2 0 0 0 W ／( m ·K ) ，在导热材料应用中存在巨大的潜力，当前人工合成金刚石技术已很成熟，其生产成本大幅度下降，使人造金刚石在复合材料中的大规模应用成为可能然而，有关金刚石／铜复合导热材料的理论研究与开发应用尚不成熟，迫切需要给予更多的关注和探索研究在导热材料研究领域中，金属基复合材料的研究主要集中在钨铜合金，以及以A 1 ：0 3 、S i C 颗粒等为增强体，以铜及铝合金作为基体的金属复合材料，取得了很多研究成果，但铜基金刚石复合导热材料的研究报道较少因此，开展对金刚石／铜导热复合材料的研究具有非常积极的意义1 ．1 电子封装与电子封装材料1 ．1 ．1 电子封装技术及其发展电子行业是当今社会变化最迅速，也是最重要的工业之一自从1 9 4 7 年世界上第一只晶体管问世以来，电子工艺在短短的五十多年间呈现出加速发展的趋势为了正常工作，半导体器件需要与外部进行电联系，并需要一定的保护以避免来自外界和内部的损伤。
电子封装具有为内部器件传输电能和信号，提供机械支撑，传递热能以及防止环境损伤等功能，因而直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠性和成本““电子封装技术的发展经历了三个阶段：第一阶段，2 0 世纪7 0 年代前，以插装型封装为主包括最初的金属圆形( T O 型) 封装，后来的单列直插封装( S I P ) 和双列直插封装( D I P ) 第二阶段，2 0 世纪8 0 年代，以表面安装类型的四边引线封装为主一批适应表面安装技术的封装形式，如塑料有引线芯片载体( P L C C ) 中南大学硕士学位论文第一章文献综述塑料四边引线扁平封装( P Q E P ) ，塑料小外形封装( P S O P ) 等封装形式应运而生，并得到迅速发展它们具有封装密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装等优点第三阶段，2 0 世纪9 0 年代，以面阵列封装形式为主该时期I C 发展到了超大规模阶段，对芯片封装提出更高密度、更高速度的要求表1 - 1 中列出了美国半导体协会( S I A ) 在1 9 9 7 年指出的高性能低价格集成电路封装在接下来1 5 年内的发展趋势“1 表1 - 1 集成电路封装的技术发展趋势年份1 9 9 71 9 9 92 0 0 12 0 0 32 0 0 62 0 0 92 0 1 2芯片最小特征尺寸( n m )2 5 01 8 01 5 01 3 01 0 07 05 0电压( 伏特)2 ．51 ．81 ．81 ．51 ．20 ．90 ．6 ’0 ．9最大芯片尺寸( m 勺3 0 03 4 03 8 54 3 05 2 06 2 07 5 02 5 6 ’3 0 0 ’3 5 2 ’4 1 3 ’5 2 4 。
6 6 6 ‘8 4 6 ’ 芯片焊盘数目 8 0 09 7 61 1 9 31 4 5 81 9 6 82 6 5 63 5 8 72 5 6 ’3 0 0 ’3 5 2 ’4 1 3 ‘5 2 4 6 6 6 ’8 4 6 ’ 封装；l 脚数目 6 0 07 3 28 9 51 0 9 31 4 7 61 9 9 22 6 9 0功率2 84 86 17 59 61 0 41 0 9芯片到印刷线路板频率( M H z )7 51 0 01 0 01 2 51 2 51 5 01 5 0目前电子封装的发展趋势是电子器件体积越小，重量越轻，运行速度越快，同时功能更加强大，价格也更加便宜为了适应这种发展趋势，电子封装正经历较大的变革，这包括如下几方面8 ⋯：( 1 ) 引脚从排列在芯片周围到排列在整个平面上；( 2 ) 从印刷线路板上插孔到表面贴装；( 3 ) 从单芯片封装向多芯片模块( M c M ) 发展；( 4 ) 陶瓷封装向高密度、多引线和大功率发展；( 5 ) 印刷线路板从单层向多层高密度封装发展等1 ．1 ．2 电子封装材料及其发展电子封装材料是一种底座电子元件，用于承载电子互联线，并具有良好的电绝缘性的基体。
它的功能主要包括机械支撑、散热、信号传递、芯片保护等因此，封装材料必须和置于其上的元器件在电学性质、物理性质、化学性质方面保持良好的匹配据此，对封装材料的性能要求总体上有以下几点要求”捌：( 1 ) 具有良好的化学稳定性 2 ) 导热性能好，热膨胀系数与S i 匹配导热性能是电子封装材料的主要性能指标之一电子封装材料的种类很多，常用材料包括：塑料、陶瓷、金属、复合材料、玻璃基片及金刚石等“““有的材料已在封装领域上取得了较为成熟的应用，但2中南大学硕士学位论文第一章文献综述是多数现有的材料都不能完美地满足其性能要求，有待于进一步研究和开发1 ．1 ．2 ．1 鳖封料在电子封装材料中用量最大、发展最快，它是实现电子产品小型化、轻量化和低成本的一类重要材料它的主要优点是成本低、工艺简单、适合大规模生产，在集成电路的封装中已独占鳌头- 塑封料所用的材料为热固型塑料，主要包括酚醛类、树脂类、环氧类和有机硅类( 硅酮塑料) ．在塑封料中，环氧玻璃是价格最便宜的一种，是一种由环氧树脂和玻璃纤维组成的复合材料，常用于单层、双层或多层印刷板尽管塑封料是封装材料中的主力军，但是由于其导热性能差、耐高温性差、电性能和热膨胀系数匹配一般，不能适应高功率电子产品，尤其不能适用于航空航天、军事工程所用的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品．1 ．1 ．2 ．2 陶瓷A 1z 0 3 陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷封装材料，其热膨胀系数( 7 ．3 ×1 0 。
8 ／' C )与硅( 4 ．1X1 0 1 ／℃) 相差不大，价格低廉，耐热冲击性、电绝缘性都比较好，制作和加上技术成熟，因而使用最广泛但是，A l 陶瓷热导率相对较低，限制了它在大功率集成电路中的应用A I N 陶瓷是一种新型的封装材料，具有优异的电性能和热性能，被认为是最有发展前途的高导热陶瓷基片但是，A I N 陶瓷的制各工艺复杂，成本高，故至今仍未能进行大规模的生产和应用B e O 陶瓷具有较高的热导率，但是其毒性和较高的生产成本，限制了其在生产和应用中的推广而玻璃封装材料的热导率较低，限制了其在大功率器件中的应用几种常用陶瓷封装材料的性能如表卜2 所示“”表1 - 2 常用陶瓷封装材料及其特性中南大学硕士学位论文第一章文献综述1 ．1 ．2 ．3 金属金属材料中，铜的热导率高、价格低、容易加工，是最常用的封装材料但铜的热膨胀系数C T E ( 1 7 X 1 0 1 ／' c ) 与S i ( 4 ．1 ×1 0 1 ／℃) 和G a A s ( 5 ．8 X i 0 1 ／℃) 相差较大，器件工作时的热循环常会产生较大的应力，导致失效。