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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

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