金刚石/铜复合散热材料的制备和检测

牛 通，韩宗杰，张梁娟，王从香，严 伟

（南京电子技术研究所，南京 210039）

1 引言

在微电子技术高速发展的今天，芯片的运算速度越来越快，封装密度越来越大，功率密度也越来越高。据有关文献报道[1～2]，高功率集成电路的最高功率密度已经达到660 W·cm-2，快速微处理器及功率半导体器件在应用中常常因为温度过高而无法正常工作。电子器件的散热问题是电子信息产业发展面临的技术瓶颈之一，新型电子封装材料的研究开发已成为提升电子器件功率水平的技术关键[3～4]。理想的电子封装材料应具有高的热导率，与Si、GaAs等半导体材料完全匹配的热膨胀系数、低密度、足够的强度和刚度。现有的电子封装材料，如Kovar、W/Cu、Mo/Cu、SiCp/Al、Sip/Al、AlN等材料，热导率一般都不超过200 W·(m·K)-1，均难以满足未来高功率、高集成密度器件的散热需求[5]，表1是常见芯片与封装材料的物理性能。因此，研制发展热膨胀系数与半导体材料匹配的超高热导材料具有重要意义。

表1 常见芯片与封装材料的物理性能

金刚石是自然界中热导率最高的物质，常温下热导率（TypeⅡDiamond）可达2 000 W·(m·K)-1，热膨胀系数约为(0.86±0.1)×10-5/K，且在室温是绝缘体；金属铜的热导率高、价格低、容易加工，是常用的封装材料，其热导率为396 W·(m·K)-1，热膨胀系数为16.5×10-6/K。因此，以金刚石为增强相、铜为基体材料的金刚石/铜复合材料，符合电子封装材料低热膨胀系数和高热导率的使用性能要求，是一种极具竞争力的新型电子封装材料[6～7]。

目前，金刚石/铜复合材料在应用方面，美国处于领先地位[8～10]，国内还鲜有报告，在应用中还面临着一些问题。本文从工程化应用的角度出发，首先研究解决了金刚石/铜表面可焊性镀层的制备问题。这是因为，现有方法制备的金刚石/铜复合材料，其表面一般裸露着大量的（50%～75%体积分数）金刚石，金刚石与一般的金属之间有很高的界面能，其表面不易被金属及焊料所浸润，因此，在实际应用中必须在金刚石/铜表面形成附着性能良好的可焊性镀层。本文采用磁控溅射、电镀等方法，在金刚石/铜表面沉积了Ti-Cu-Ni-Au复合膜层，复合膜层能经受功率芯片焊接时的温度考核，与焊料润湿良好，并对金刚石/铜的散热效果做了对比试验，结果表明，其与钼铜热沉片相比具有更优异的散热效果。

2 试验

2.1 试验材料

试验所用金刚石/铜材料由北京有色金属研究总院提供，其型号为D60c，金刚石体积分数为60%，热导率为600 W·(m·K)-1，热膨胀系数6.6×10-6/ K，密度5.4 g·cm-3。金刚石/铜材料的结构形貌如图1所示，金刚石粒径约100 μm，金刚石颗粒均匀地分布在铜基体中，颗粒与基体之间结合良好、界面清晰无缝隙。

图1 金刚石/铜的SEM

2.2 试验过程

试验过程如图2所示。

图2 试验过程

2.3 测量方法

利用日立3400N扫描电镜分析材料的表面形貌及能谱，采用X-TEK HAWK-160XI检测焊接的效果，利用热红外仪分析、对比金刚石/铜片与常规钼铜片的散热效果。

3 试验结果与分析

3.1 溅射膜层的选择与优化

金刚石/铜表面镀覆的关键是在其表面能否与金属膜层形成有效的键合，即在界面处形成金属化合物。这就不仅要求底层金属与金刚石/铜中的铜形成金属键，而且还要求底层金属与金刚石/铜中的金刚石形成适当的共价键。为了达到这个目的，需要对金刚石/铜进行一系列的处理。

首先采取超声除油等措施，确保金刚石/铜表面洁净、无污染，为下一步的磁控溅射做准备。磁控溅射时，首先确定溅射膜层的体系，根据碳与金属、铜与金属的相图，底层可采用溅射Ti、Cr等活泼性金属，其不仅能与金刚石形成附着力良好的金属碳化物，而且还能与Cu形成附着力良好的金属键，这样就初步保证了底层与金刚石/铜的有效结合。本文采用Ti作为溅射底层，Ti层厚度分别为50 nm和200 nm，溅射Cu作为过渡层，Cu厚为1 500 nm。在其他工艺条件相同的情况下，试验中发现，Ti的厚度对最终复合膜层的附着力有着决定性的影响。Ti层为50 nm时，复合膜层在温度考核时失效的几率大大增加，而Ti层厚度为200 nm时，失效几率急剧降低。这是因为Ti是一种较活泼的元素，Ti与C之间发生扩散或界面反应[11]，形成TiC金属间化合物，TiC与金刚石之间有良好的润湿性，但与Cu层之间润湿性和结合力较差，当Ti层较薄时，TiC与铜层直接接触，进而导致复合膜层在考核时发生失效；当Ti层增厚时，较厚的Ti层能起到阻挡作用，如图3所示，使TiC不会大量聚集、穿越Ti-Cu界面，从而避免了上述失效的发生。图4为在金刚石/铜上溅射200 nm Ti时的SEM及能谱，能谱中出现较强的Ti的能量峰（其中Cr为金刚石/铜基材制备时的添加物）。图5为在金刚石/铜上溅射1 500 nm铜时的SEM及能谱，由图可知，基体已完全覆盖，能谱中金刚石的谱峰已经消失。

图3 当Ti层较厚时其阻挡作用的示意图

图4 金刚石/铜溅射200 nm钛后的SEM及能谱

图5 金刚石/铜溅射Cu后的SEM及能谱

3.2 电镀镍金与应力控制

为提高焊料在复合膜层上的润湿性和复合膜层的热稳定性，金刚石/铜在溅射Ti-Cu之后，还需电镀镍、电镀金，镍作为阻挡层可降低铜-金之间的扩散，提高复合膜层的高温稳定性，而表层的金与金锡焊料有着良好的润湿性。

在金刚石/铜表面沉积Ti-Cu-Ni-Au复合膜层后，由于不同膜层之间热膨胀系数的差异以及膜层沉积过程中固有的缺陷，导致复合膜层中存在一定的应力，应力若不加以控制，就会导致后续焊接时复合膜层出现鼓泡、脱落等失效。应力分布、起源较为复杂，且在膜层中是普遍存在、不可避免的。应力的高低对复合膜层的附着力、耐温性和稳定性有着重要的影响。当复合膜层与基体间的附着力一定时，复合膜层的应力越大，其抵抗热冲击的能力越差，即在焊接或考核时膜层失效的几率也越大。为降低复合膜层的应力，笔者采用了两步热处理的方式，即电镀镍后，采用“镀50 nm薄金+热处理1+电镀厚金+热处理2”的方式，来进一步降低复合膜层的应力、提高附着力，热处理曲线见图6。“热处理1”能降低金刚石/铜-Ti-Cu-Ni体系中的应力、促使原子间的扩散，而“镀50 nm薄金”防止热处理时镍层发生氧化。“电镀厚金+热处理2”能进一步降低Ti-Cu-Ni-Au复合膜层的应力，同时，“热处理2”能一定程度地模拟焊接温升过程，并降低复合膜层焊接时的失效率。经上述方式处理后，在金刚石/铜上沉积的Ti-Cu-Ni-Au复合膜层能经受芯片焊接温度的考验，而无鼓泡、脱落等膜层失效现象出现。

图6 热处理曲线

3.3 焊接质量评价

在金刚石/铜表面沉积Ti-Cu-Ni-Au后，需选用适当的焊料对功率芯片进行焊接。表2为常见焊料的热导率，选取适当的焊料并优化焊接工艺有利于降低界面热阻、提高芯片的散热效果。本文中采用金锡焊料，这是因为虽然金锗焊料有更高的热导率，但其共晶温度（356 ℃）远高于金锡的共晶温度（280 ℃），金锗焊料过高的焊接温度对芯片有较大的破坏性，会带来诸如芯片功能上的破坏和组装后残余热应力的增加等不利影响。

表2 常见焊料的热导率

图7为功率芯片采用金锡焊料焊接后的光学照片及X光检测照片。由图可知，金锡焊料铺展良好，利用X光检测仪测量焊接后的空洞率，测量软件显示焊透率达到95%，无明显的空洞。

图7 金锡焊接后光学照片及X光检测图

3.4 散热效果

为验证镀覆后的金刚石/铜片的实际散热效果，笔者用常规的钼铜与金刚石/铜热沉片做了对比，热沉片尺寸为12 mm×13 mm×1 mm。试验装置如图8所示，图中①#位置和②#位置处的基板材料为金刚石/铜片，③#位置和④#位置处的基板材料为传统的钼铜片。

采用电阻模拟芯片发热，电阻尺寸为2.4 mm×4.8 mm×2 mm，壳体材料为铝硅，表面镀金。冷板在靠近热源下布置流道。壳体通过锁紧机构与冷板压接，电阻发热功率30 W，给电阻两端输入等效电压，温度稳定后，通过热红外仪测量观察4个位置处的电阻表面温度。

为了消除热电阻焊接位置带来的热耦合效应，笔者把P1与P4、P2与P3的温度做了对比。由图9可知，应用金刚石/铜片后，P1比P4降低了24 ℃，P2比P3降低了19 ℃，平均降温幅度超过20 ℃，具有良好的散热效果。对于器件的长期可靠性而言，工作温度的降低能有效地提高器件的寿命，可见，金刚石/铜在电子器件特别是功率器件中的应用，将能有效地提高器件的使用寿命和长期可靠性。

4 总结

金刚石/铜复合材料是一种新型封装材料，其优异的综合性能尤其是导热性能，吸引着国内外众多学者对其进行相关的研究。本文采用磁控溅射、电镀等方法在金刚石/铜表面获得了附着力、可焊性良好的Au-Ni-Cu-Ti复合膜层，并对金刚石/铜的散热效果做了对比试验。结果表明，金刚石/铜热沉片与钼铜热沉片相比，具有更优异的散热效果。

图8 散热效果试验装置

图9 温度测量

致谢

感谢北京有色金属研究院的郭宏教授在金刚石/铜样品上提供的帮助。

[1]Direct measurement on delidded Bus 50 power transistor.The package was found to contain two 0.50×0.53 cm die.

[2]Erich Neubauer,Paul Angier.Advanced composite materials with tailored thermal properties for heat sink applications.Power Electronics and Applications [J].2007 European Co nference on.

[3]B leonhardt,A webb,W J Bowman.Analysis of diamond heat spreader in a forced convertion finned heat sink[C].38thAerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno,NV,2000,1.10-13.

[4]刘正春，王志发，等.金属基电子封装材料进展[J].兵器材料科学与工程，2001，24（2）：49-54.

[5]夏扬，宋月清，等.热管理材料的研究进展[J].材料导报，2008，22（1）：4-7.

[6]邓安强，樊静波，等.金刚石/铜复合材料在电子封装领域的研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2010，30（5）：56-61.

[7]高文迦，贾成广，等.金刚石/金属基复合新型热管理材料的研究与进展[J].材料导报，2011，25（2）：17-22.

[8]Zhu Y,Zheng B,Yao W,et al.Diamond and Related Materials[J].1999,6(8):1073.

[9]Howard L.Davision.Copper-Diamond Composite Substrates for Electronic Components [J].IEEE,1995.

[10]Yitshak Tzuk,Alon Tal.Diamond cooling of high-power diode-pumped Nd:YVO4 and Nd:YAG laser [J].Laser Source and System Technology for Defense and Security,2005,6.

[11]William Davis,Alfred Chan.Aersol and diamond substrate cooling for air-vehicle computer and radomes[C].40thAerosspace Science Meeting and Exhibit,Reno,NV,2002,1.14-17.