張梁娟，錢吉裕，牛 通，韓宗杰

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

隨著軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代國(guó)防武器裝備系統(tǒng)對(duì)軍用雷達(dá)電子裝備提出了越來(lái)越高的要求，軍用雷達(dá)電子裝備的功率越來(lái)越大，組裝密度越來(lái)越高，導(dǎo)致軍用雷達(dá)微波功率組件的熱流密度不斷提高，散熱問(wèn)題逐漸成為微波功率組件首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，且隨著熱流密度的不斷升高，頂層散熱對(duì)高效熱傳導(dǎo)技術(shù)的依賴會(huì)更強(qiáng)，新型高導(dǎo)熱材料也逐漸成為各國(guó)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。從第一代傳統(tǒng)的Kovar(可伐合金)、Invar(因瓦合金)，第二代的Mo/Cu、W/Cu發(fā)展到現(xiàn)在的AlSiC、AlSi等，且隨著組件熱流密度不斷增大，以高導(dǎo)熱的金剛石(diamond)金屬基、碳納米管(CNT, carbon nano tube)、高定向熱解石墨(HOPG)等為代表的新型熱管理材料的需求日益顯著。HOPG和CNT都存在各向異性和生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，金剛石是自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，常溫下熱導(dǎo)率(Ⅱ型金剛石)可達(dá)2 000 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)約為(0.86±0.1)×10-5K-1，且在室溫下是絕緣體。金屬銅的熱導(dǎo)率高、價(jià)格低、容易加工，是常用的封裝材料，其熱導(dǎo)率為396 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為16.5×10-6K-1。因此，以金剛石為增強(qiáng)相、銅為基體材料的金剛石/銅，符合電子封裝材料低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率的使用性能要求，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的新型電子封裝材料。將金剛石/銅材料引入微波功率組件散熱途徑中，可以有效提升頂層的熱傳導(dǎo)效果，且隨著熱流密度的增加，優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越顯著。但是，工程中實(shí)際導(dǎo)熱效果與材料表面鍍覆和焊接性能息息相關(guān)，如果鍍層附著力不達(dá)標(biāo)，容易造成焊接空洞率較高，從而導(dǎo)致焊接熱阻的急劇增大，使得由于金剛石/銅熱導(dǎo)率增大帶來(lái)的溫度改善弱化。此外，新型材料在微波功率組件中的應(yīng)用還要滿足工程環(huán)境條件的考核，文獻(xiàn)[1-2]針對(duì)金剛石/銅材料的鍍覆性和焊接性進(jìn)行了前期試驗(yàn)研究，并通過(guò)磁控濺射、電鍍等方法在金剛石/銅表面獲得了附著力、可焊性良好的鍍層。本文在此基礎(chǔ)上，以高熱流密度微波功率組件散熱為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)金剛石/銅在工程應(yīng)用中面臨的若干問(wèn)題開(kāi)展試驗(yàn)研究并初步驗(yàn)證了其在工程中應(yīng)用的可行性。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)于金剛石/銅的研究較早，1995年美國(guó)Sun Microsystems公司與Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)了金剛石/銅-Dymalloy，作為多芯片模塊(MCM)的熱沉基板。此后幾年，日本在這方面也做了大量的工作，2002年日本SEI公司宣布開(kāi)發(fā)出金剛石/銅，并取名為DMCH，其熱導(dǎo)率可達(dá)600 W/(m·K)以上[3-6]。經(jīng)過(guò)多年研究，金剛石/銅的制備技術(shù)日趨成熟完善，目前美國(guó)、日本和奧地利在該領(lǐng)域的研發(fā)和工程應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，在微電子、光電子和真空電子封裝等方面已經(jīng)逐漸開(kāi)始有相關(guān)工程應(yīng)用的報(bào)道，并逐漸發(fā)展出金剛石/鋁以及金剛石/銀，比如法國(guó)THALES和奧地利PLANSEE公司聯(lián)合研制了金剛石/銀作為MCM的高導(dǎo)熱底板，如圖1所示。

圖1 金剛石/銀用于MCM散熱

國(guó)外相關(guān)專利中也有把金剛石/銅用于LDMOS功率管封裝和散熱熱沉相關(guān)應(yīng)用的報(bào)道。

國(guó)內(nèi)由于前期缺乏需求牽引，對(duì)預(yù)研投入較少，缺少技術(shù)積累，對(duì)于金剛石/金屬基復(fù)合材料的研究起步較晚。北京有色金屬研究院、北京科技大學(xué)和湖南大學(xué)等單位正在開(kāi)展金剛石/銅材料的制備工作[7]。目前國(guó)內(nèi)更多關(guān)注的是材料的制備技術(shù)和性能改進(jìn)工作，在工程以及雷達(dá)微波功率組件上的應(yīng)用研究和報(bào)道并不多見(jiàn)。

2 工程應(yīng)用研究

金剛石/銅材料由北京有色金屬研究總院提供，型號(hào)為D60c，金剛石體積分?jǐn)?shù)為60%，根據(jù)微波功率組件熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)需求，定制金剛石/銅樣件尺寸為12 mm×13 mm×0.8 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，其主要物理性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 樣件性能參數(shù)

從測(cè)試結(jié)果看，熱導(dǎo)率雖然與國(guó)外報(bào)道仍有一定差距，但與現(xiàn)在工程上使用的AlSi合金(熱導(dǎo)率120 W/(m·K)左右和Mo/Cu復(fù)合材料(熱導(dǎo)率180 W/(m·K)左右相比，仍然有很大的優(yōu)越性，且熱膨脹系數(shù)也與芯片陶瓷基板匹配，滿足在微波功率組件中應(yīng)用的封裝條件。

2.1 鍍覆和焊接性能

對(duì)金剛石/銅展開(kāi)多輪表面金屬化工作，包括電鍍法以及磁控濺射法等，已經(jīng)完成了金屬化工藝流程和參數(shù)的固化工作，實(shí)現(xiàn)其表面鍍鎳-鍍金工藝，且經(jīng)過(guò)(-55 ℃, 15 min)和(125 ℃, 15 min)高低溫循環(huán)試驗(yàn)100次后，樣品表面無(wú)變色、鼓泡、脫落等膜層失效現(xiàn)象發(fā)生，可以初步判定金剛石/銅復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍鎳-鍍金，并且鍍層與基體材料結(jié)合良好，可以滿足后期的焊接要求。

對(duì)鍍覆完成的金剛石/銅進(jìn)行模擬芯片的焊接，焊料為Au-Sn焊料，焊接后通過(guò)KSI V-400E聲學(xué)顯微鏡對(duì)焊接樣品進(jìn)行檢測(cè)。圖2所示是焊接層放大到500×500像素時(shí)的C掃圖像，圖中焊接層呈均勻黑色或灰色，表明焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。

圖2 金剛石/銅與模擬芯片焊接的聲學(xué)顯微鏡掃描圖像

2.2 環(huán)境試驗(yàn)考核

微波功率組件因其不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)使用的環(huán)境適應(yīng)性要求較高，需要對(duì)其在高低溫、振動(dòng)沖擊等相關(guān)環(huán)境條件下使用的可靠性進(jìn)行考核。因此根據(jù)真實(shí)微波功率組件的封裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接模擬芯片和組件殼體來(lái)初步檢驗(yàn)其在工程中應(yīng)用的可適性。其中芯片焊接使用Au-Sn焊料，殼體焊接使用In-Sn焊料，完成的環(huán)境試驗(yàn)及部分試驗(yàn)照片如表2和圖3所示。

表2 環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目及條件

圖3 金剛石/銅樣件振動(dòng)測(cè)試照片

2.3 剪切力測(cè)試

為了檢驗(yàn)環(huán)境試驗(yàn)前后的焊接狀態(tài)，參照《GJB 548B—2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序》對(duì)焊接處進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，見(jiàn)圖4。測(cè)試儀器為DAGE4000多功能推拉力測(cè)試儀，測(cè)試位置分別為模擬芯片焊接層和組件殼體焊接層。測(cè)試結(jié)果表明，焊接層在環(huán)境試驗(yàn)前均能通過(guò)20 kg的非損剪切力測(cè)試；試驗(yàn)后，均能通過(guò)破壞性剪切強(qiáng)度80 kg的要求，高于國(guó)軍標(biāo)關(guān)于剪切強(qiáng)度的要求。

圖4 金剛石/銅焊接剪切力測(cè)試

2.4 熱特性仿真和測(cè)試

微波功率組件熱傳遞路徑如圖5所示。

圖5 微波功率組件熱傳遞路徑

根據(jù)熱傳遞路徑，建立熱力學(xué)仿真模型?；宀牧戏謩e為Mo/Cu和金剛石/銅，基板尺寸為12 mm ×13 mm × 0.8 mm，熱模擬件尺寸為2.4 mm × 4.8 mm ×2 mm，殼體材料為鋁硅，殼體通過(guò)螺釘安裝在液冷冷板上，冷板供液溫度為30 ℃，熱模擬件發(fā)熱功率為20 W，熱仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 金剛石/銅和Mo/Cu基板的熱仿真比較

圖中位置1、2的熱模擬件下方為金剛石/銅基板，位置3、4為Mo/Cu基板。從仿真結(jié)果得到Mo/Cu基板上方熱模擬件表面溫度為85.6 ℃，金剛石/銅基板上方熱模擬件表面溫度為73 ℃。由此可見(jiàn)，在20 W發(fā)熱功率條件下(等效熱流密度為174 W/cm2)，金剛石/銅相對(duì)于Mo/Cu可以帶來(lái)12.6 ℃的溫度改善。

根據(jù)仿真模型搭建試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試原理和實(shí)物如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

將熱模擬件置于均溫板上，并設(shè)定均溫板溫度為40 ℃，發(fā)熱功率為20 W，采用QFI InfraScope Ⅱ紅外熱像儀觀察熱模擬件表面溫度，結(jié)果如表3所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，金剛石/銅上方的熱源溫度比Mo/Cu平均降低11.6 ℃。

表3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

金剛石/銅復(fù)合材料是一種新型導(dǎo)熱材料，具有優(yōu)異的綜合性能。本文為解決高熱流密度微波功率組件散熱問(wèn)題，針對(duì)金剛石/銅在工程應(yīng)用中面臨的若干問(wèn)題開(kāi)展試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：

1)金剛石/銅復(fù)合材料可通過(guò)磁控濺射、電鍍方法在其表面獲得附著力、可焊性良好的復(fù)合鍍層；

2)經(jīng)過(guò)剪切力測(cè)試，焊接性能可以滿足軍用雷達(dá)的高低溫、振動(dòng)以及沖擊的使用條件；

3)經(jīng)過(guò)熱學(xué)模型仿真和試驗(yàn)測(cè)試，在20 W發(fā)熱功率下，相對(duì)于Mo/Cu材料可以使芯片溫度降低12.6 ℃，可有效改善芯片工作溫度。

[1] 牛通, 韓宗杰, 張梁娟, 等. 金剛石/銅復(fù)合散熱材料的制備和檢測(cè)[J]. 電子與封裝, 2014, 14(2): 9-12, 15.

[2] 袁田, 賈成廠, 郭宏. 金剛石/銅復(fù)合材料鍍鎳工藝的優(yōu)化[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(8): 926-930.

[3] SUN Q, INAL O T. Fabrication and characterization of diamond/copper composites for thermal management substrate applications[J]. Materials Science and Engineering, 1996(B41): 261-266.

[4] YOSHIDA K, MORIGAMI H. Thermal properties of diamond/copper composite material[J]. Microelectronics Reliability, 2004, 44(2): 303-308.

[5] KERNS J A, COLELLA N J, MAKOWIECKI D, et al. Dymalloy: A composite substrate for high power density electronic components[C]//Proceeding of 1995 International Symposium on Microelectronics, 1995: 66-72.

[6] ZWEBEN C. Ultrahigh-thermal-conductivity packaging materials[C]// Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, 2005 IEEE 21st Annual, 2005.

[7] 高文迦, 賈成廠, 褚克, 等. 金剛石/金屬基復(fù)合新型熱管理材料的研究與進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2011, 25(2): 17-22, 26.