新一代高导热金属基复合材料界面热导研究概述
2017-05-02 20:30:21   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着电子设备朝着运行速度更快、集成化更高、小型化、性能要求更高的方向发展，高效的散热能力是保证下一代电子设备性能和可靠性的必要条件。为了提高电子器件的散热能力，除了需要在宏观界面处填充热界面材料之外，基板也需要采用高导热的电子封装材料。第一代电子封装材料如Invar、Kovar、Cu/W、Cu/Mo和第二代电子封装材料如 Al/SiC、Cu/SiC的热导率均低于300W/(m*K)，不能满足激光器、LED、集成电路等高功率器件苛刻的散热要求。与传统电子封装材料相比，金刚石颗粒增强金属基复合材料（金刚石、金属复合材料，Metal Matrix Composites， MMCs）不仅具有高的热导率，而且与半导体材料的热膨胀系数相匹配，因此成为新一代电子封装材料的研究热点。

目前电子器件封装中的热管理材料

金刚石是自然界中热导率最高的物质，为高导热金属Cu的4～5倍，因此将其作为增强相与高导热金属复合，理论上应具有优良的导热性能。然而前期研究表明，在一般的制备条件下，金刚石由于本身的结构稳定性和显著的化学惰性而极难与金属基体实现良好的界面结合，从而限制了金刚石优异性能的充分发挥。两相之间的界面对复合材料导热性能起着至 关重要的作用，正因如此，两相界面优化是金刚石/金属复合材料研究所面临的关键问题。

当前，界面优化方法可以划分为金属基体合金化、金刚石表面金属化和先进成型技术3种。通过界面优化，可在金刚石与金属基体之间形成一层碳化物，提高界面结合强度，减少界面缺陷，从而提高界面热导。

在作为电子封装材料的MMCs中，增强颗粒与金属基体之间存在大量界面，并且其尺寸为微纳米量级，其界面热导与宏观界面相比具有特殊性，所使用的理论方法和实验手段也有所不同。当界面层的几何尺寸小到与热载流子（电子、声子）的平均自由程相当时，热载流子与界面发生碰撞的概率与热载流子之间碰撞的概率相当，热载流子与界面发生多次碰撞，阻碍热量传递，呈现出导热的尺度效应，此时宏观尺度下的傅里叶定律已经不再适用。

近年来，纳米材料在电子产业有着广泛的应用，纳米尺度下的热传输性质逐渐成为国际研究热点。块体材料的热传输性质通常通过温度的直接测量和分析而实现，然而对于纳米材料，首先需要确定时间与电阻、时间与光的反射率或者透射率的关系，之后利用电阻、光的反射率和透射率与温度之间的关系，间接确定温度与时间的关系，从而得到界面热导。这种间接测量远比电学、光学等物理性质的直接测量难度大，在纳米尺度下，这些测量方法实践起来就更加困难。测量纳米尺度下的界面热导所采用的时域热反射法（TDTR）就是根据此原理来设计的。

综上所述，金刚石颗粒增强金属基复合材料可以获得高的热导率，同时具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数，具有很好的应用前景，因此成为新一代电子封装材料的研究热点。界面热导是调控复合材料热导率的决定性因素，目前的主要工作集中在界面优化，以便提升复合材料的导热性能。

但金刚石颗粒增强金属基复合材料界面热导的研究，尚存在很多没有解决的问题：

理论方面，界面处金属与金刚石的电子与声子的耦合机制仍处于探索阶段，界面处碳化物过渡层的热传输尺寸效应以及碳化物形貌对界面热导的影响规律尚不清楚。为了提高计算精度，需在蒙特卡洛算法或者玻尔兹曼方程中考虑声子散射率等。

实验方面，利用FIB（聚焦离子束）技术制备透射电镜样品虽取得进展，但是Ga离子轰击在最终制备的透射电镜样品中引入了损伤层，从而影响界面原始特征。如果将双束FIB技术有机结合氩离子枪，在减薄的最后阶段通过低能量的氩离子束进行加工则可减少对样品的损伤，从而提高制样质量。利用金刚石基板沉积金属膜测试界面热导的研究方法是研究复合材料界面导热行为的新思路，可以模拟制备出复合材料中的界面，为探索尚未解决的问题提供了一种新的方案。

北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的离子束刻蚀机、离子束溅射镀膜机是非硅微纳机电制造的核心设备。其通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄等功能，还可实现化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）与反应离子束刻蚀（RIBE）。