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引言 在过去几十年,随着半导体工业的芯片合成

2013-08-02 01:05
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引言
  在过去几十年,随着半导体工业的芯片合成迅速的发展,电子芯片的尺寸从70 年代前的微米级发展到今天的次微米级。每个芯片所含的逻辑电路从数百个发展到数百万个。这使得在较小的封装空间内热功率密度可高达10W/cm2[1-4]。以Inter 为例,第一代微处理器4004只有2300 个晶体管,奔腾4 处理器就有4.2×107 个晶体管[5]。功率密度增大,器件温度升高,会引发设备内电子-声子不平衡,改变其电学参数及可靠性。为了避免温度过高,怎么将这些能量带走是一个关键的问题。高导热新型电子封装材料应运而生。除此之外,用来散热的材料的热膨胀系数必须要的半导体和陶瓷绝缘体相匹配,以避免因热膨胀系数不同而导致的器件的脱焊和分裂[6]。
  基于上述要求,传统的散热材料如Cu,Al,虽然具有较高的热导率,但是热膨胀系数与Si、InP、GaAs 等半导体材料相差太大;而Cu-W,Cu/Invar/Cu、Cu/Mo/Cu 等,密度较大,不易合成,且由于兼容设计而导致冷却效率降低[7]。新型陶瓷散热材料如BeO、SiC、AlN 工艺复杂、成本高昂,在电子封装领域使用具有一定局限性。CVD 金刚石膜虽然可成为理想电子器件大面积散热材料,但是其高达10$/m2 的造价,以及更高的加工抛光或金属化费用,使人望而却步。然而金刚石与传统金属散热材料如Ag,Cu[8-11],Al 的金属基复合材料兼顾了两方面的导热与膨胀优良特性,连接性能好,组分可调节[12],将来可被广泛用于光电子、微电子、激光、功率模块、高端服务器等[13,14]。
  1 金刚石/Al
  一方面,金刚石在自然界材料中具有特别优异的机械性能、热学性能、透光性、纵波声速、半导体性能及化学惰性,是一种多用途的不可替代的特殊多功能材料。天然金刚石热导率达2000W/mK[15],为所有物质中最高的,比SiC 高4 倍,比Si 高13 倍,比GaAs 高43倍,是Cu 和Ag 的5 倍[16]。近些年,高温高压(HTHP)生产金刚石技术的成熟,高质量的人工合成金刚石的成本逐渐下降,致使其运用更加的广泛和现实。


  另一方面,将金刚石颗粒与其他材料复合尤其是和金属材料比如铝,铜,银,可以将金刚石高热导率这一性质转移到功能构件中。而Al 基复合材料不仅比强度、比刚度高,而且具有导热性能好、线膨胀系数可调、密度较低、价格低廉等优点[17]。另外,由于低金刚石含量的复合材料热膨胀系数往往不能满足工程需要,将不得不采用高体积分数的金刚石/Al复合材料。目前,高体分 SiC 颗粒、或其他陶瓷颗粒增强铝基复合材料工艺已经实现。这些优势使得金刚石/Al 成为目前研究的重点。
  2 金刚石/Al 的制备方法
  目前,制备金刚石/Al 的方法有许多,但大体是基于液相浸渗和粉末冶金技术两种技术。
  2.1 放电等离子烧结法
  (SPS)放电等离子烧结(Spark plasma sintering, SPS)工艺是将金属或陶瓷等粉末装入石墨等材质制成的模具内,利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源饿压制压力施加于烧结粉末,经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。由于SPS技术具有快速、低温、高效等优点,近年来在国内外材料领域得到广泛的应用[18]。
  国内采用 SPS 方法已经制备出金刚石/Al 复合材料。其使用70um 粒径的金刚石颗粒与铝粉混合后在压力30MPa,温度550℃烧结,得到热导率最大的一组数据为182.0W.(m.k)-1,其含金刚石的体积分数为50%。文章表明,该制备方法中,致密度是影响该复合材料热导率的关键所在。如果材料的致密度越大,铝和金刚石两相接触越紧密,界面热阻越低,同时材料中的孔隙也越少。通过试样XRD 衍射图谱,表明没有Al4C3,和石墨层在两相的界面出现[19]。虽然该法低温和真空条件保障了金刚石和Al 的稳定性,但是如何克服界面缝隙,提高致密度,发挥金刚石高导热的潜质是一个难题。 (科教作文网http://zw.ΝsΕac.cOM编辑)
  2.2 压力浸渗
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