《電子封裝用新型石墨纖維增強金屬基復合材料的研究》內容簡介:微電子及半導體器件對電子封裝材料要求的不斷提升推動著高熱導率、可調熱膨脹系數金屬基復合材料的開發(fā),以有效地驅散熱量和減小熱應力,提高電子設備的性能、壽命和可靠性。而具有高導熱、低熱膨脹系數、且加工性良好的新型石墨系材料已開始被嘗試用于和金屬Cu、Al的復合,成為電子封裝用金屬基復合材料研發(fā)的新動向。本書介紹了高性能石墨纖維增強Cu、Al基復合材料的制備并對其顯微結構和熱性能進行了研究。本書從增強體表面金屬化改性的角度出發(fā),詳細闡述了石墨纖維表面金屬化的工藝,較系統(tǒng)地論述了石墨纖維與Cu、Al復合時的界面特性,優(yōu)化了復合材料的相關制備工藝;較全面地表征了所制備復合材料的熱物理性能,并對導熱機理進行了深入探討;書中還就電子封裝用金屬基復合材料進行了展望。
本書所述高導熱石墨纖維Cu、Al復合材料能結合了金屬基體和增強體優(yōu)良的導熱性能以及增強體低膨脹的特性。是研究發(fā)展電子器件封裝用的高導熱、低膨脹復合材料的*動態(tài)之一。出版此書,能夠普及電子封裝材料方面的知識,讓讀者了解石墨纖維金屬材料的制備工藝,為專業(yè)知識人員提供相關的借鑒,為該體系復合材料的進一步研發(fā)提供實踐依據,為熱管理領域提供有效的材料選擇。
在微電子技術高速發(fā)展的今天,芯片運算速度越來越高,集成電路的封裝密度也越來越大。電子元件在高頻工作下產生的極大熱量,可導致器件及電路板工作溫度升高,而過高的溫度會影響器件的穩(wěn)定性及壽命。半導體器件,尤其是高功率密度器件的散熱問題已成為電子信息產業(yè)面臨的技術瓶頸之一。另一方面,在微電子集成電路以及大功率整流器件中,因材料之間熱膨脹系數的不匹配而引起的熱應力與熱疲勞也會引起微電子電路和器件的失效。解決上述問題的重要手段之一是選擇合理的封裝材料,此時要求封裝材料具有高的熱導率和可調的熱膨脹系數以有效地驅散熱量和減小熱應力。
傳統(tǒng)的低膨脹材料如Invar,Kovar,W(Mo)/Cu等已不能滿足現代熱管理對材料的散熱性要求。自20世紀90年代以來,以SiC/Al材料為典型代表,將高導、低膨脹材料與高導金屬材料進行復合以獲得導熱性良好、線膨脹系數可調的金屬基封裝材料,已成為設計和研制電子器件用封裝材料的重要理念和發(fā)展方向。當前SiC/Al材料的各項性能,尤其是導熱性能(<250W/mK)表現已難以取得突破,隨著現代熱管理對封裝材料導熱性要求的進一步提高,無疑以更高熱導率金剛石為增強體的復合材料體系成了關注和研發(fā)的焦點。然而,在高導金剛石/金屬材料取得長足發(fā)展的同時,其可加工性能差的問題仍未得到很好解決,限制了其實際應用。近期,具有高導熱、低熱膨脹系數且加工性良好的新型石墨系材料,如石墨泡沫(graphitefoam)、天然石墨鱗片(graphiteflake)、高導石墨纖維(graphite fiber)等,已開始被嘗試用于和金屬如Cu、Al的復合,成為電子封裝用金屬基復合材料研發(fā)的新動向。
以中間相瀝青為先驅體制備的高性能碳纖維,通常被稱為中間相瀝青基石墨纖維,其軸向熱導率接近1100W/mK,熱膨系數可達?1.510-6/K。隨著石墨纖維技術的不斷進步,該種石墨纖維的非連續(xù)形式(磨碎或短切形式)具備了超過900W/mK的熱導率和較低的價格/成本(為連續(xù)長纖維的1/10),因此,非常適合作為電子封裝用金屬基復合的增強相材料;诖,本書以磨碎形式的該種石墨纖維為原料,分別采用放電等離子燒結和真空壓力熔滲技術制備了石墨纖維/銅和石墨纖維/鋁復合材料。并從增強體表面金屬化改性的角度出發(fā),對石墨纖維進行金屬化處理,以改善體系的潤濕和結合狀況。對成形復合的工藝參數進行了優(yōu)化,對復合材料的顯微組織及熱性能進行了檢測和分析。以期為該體系復合材料的進一步研發(fā)提供理論與實踐依據。
由于作者才疏學淺,水平有限,書中難免有很多不足之處,敬請讀者不吝賜教。謝謝!
張昊明
河南工程學院機械工程學院
張昊明,男,河南省周口市人,1984年9月生,河南工程學院機械工程學院講師,2012年北京科技大學材料科學與工程專業(yè)博士畢業(yè),主要從事金屬基復合材料、功能陶瓷材料的制備及成形技術研究。近幾年來參與或主持的科研項目主要有:國家科技重大專項項目《高速、精密滾珠絲杠副返向結構設計與制造》、國家自然科學基金項目《TiAl金屬間化合物近終形成形的相關基礎研究》、河南省科技廳項目《電子封裝用石墨纖維鋁復合材料的界面設計與導熱性能研究》等。完成省部級鑒定項目3項,申請專利5項。發(fā)表論文數篇,其中SCI收錄6篇,EI收錄4篇。
目 錄
第1章 緒論
1.1 電子封裝材料概述
1.1.1 電子封裝材料的定義及要求
1.1.2 常用電子封裝材料
1.1.3 先進金屬基電子封裝材料
1.2 碳纖維及其與金屬的復合技術
1.2.1 導熱型瀝青基碳纖維簡介
1.2.2 碳纖維材料的導熱理論
1.2.3 碳纖維與金屬基體潤濕性的改善
1.2.4 碳纖維/金屬復合材料的制備工藝
1.3 電子封裝用碳纖維/金屬復合材料的研究現狀
1.4 研究背景和意義
第2章 實驗部分
2.1技術路線
2.2實驗及研究內容
2.3主要原料
2.4分析及測試方法
2.4.1密度及相對密度測量
2.4.2顯微組織與物相分析
2.4.3熱導率測試
2.4.4熱膨脹系數測定
第3章 石墨纖維的表面金屬化
3.1化學鍍銅
3.1.1石墨纖維表面預處理
3.1.2化學鍍銅工藝參數的優(yōu)化
3.2真空微蒸發(fā)鍍鈦和鉻
3.2.1鍍覆原理、過程及基本工藝參數
3.2.2蒸鍍溫度與時間對鍍層質量的影響
3.2.3鍍層的形貌、成分與結構
3.3粉末覆蓋燒結鍍鉬
3.3.1鍍覆原料及過程
3.3.2鍍覆工藝參數的選擇與控制
3.3.3鍍層的檢測分析
3.4本章小結
第4章 石墨纖維/銅復合材料的制備
4.1 實驗方案、條件及過程
4.2制備工藝對復合材料致密化的影響
4.2.1燒結溫度的影響
4.2.2加壓方式及壓力大小的影響
4.2.3金屬銅粉粒度及搭配的影響
4.3石墨纖維含量及表面鍍層對復合材料致密化的影響
4.3.1石墨纖維含量的影響
4.3.2鍍層的影響
4.4石墨纖維/銅復合材料的形貌及纖維排布特點
4.5本章小結
第5章 石墨纖維/銅復合材料的顯微結構與熱性能分析
5.1石墨纖維/銅復合材料的界面特性
5.1.1無鍍層石墨纖維/銅復合材料的界面
5.1.2鍍銅石墨纖維/銅復合材料的界面
5.1.3鍍覆碳化物形成元素石墨纖維/銅復合材料的界面
5.2石墨纖維/銅復合材料的斷口形貌
5.3石墨纖維/銅復合材料的熱性能分析
5.3.1復合材料的熱導率
5.3.2復合材料的熱膨脹系數
5.4本章小結
第6章 石墨纖維/鋁復合材料的制備及組織性能
6.1實驗原料、設備及過程
6.1.1石墨纖維預制體的設計與制備
6.1.2預制體的熱脫脂
6.1.3預制體的壓力熔滲
6.2熔滲工藝對石墨纖維/鋁復合材料致密化的影響
6.2.1熔滲溫度的影響
6.2.2熔滲壓力的影響
6.2.3保溫時間的影響
6.3石墨纖維/鋁復合材料的組織及性能
6.3.1復合材料的顯微組織與界面特性
6.3.2復合材料的熱物理性能
6.4本章小結
第6章 結論
主要參考文獻