牛 通，韓宗杰，張梁娟，王從香，嚴(yán) 偉

（南京電子技術(shù)研究所，南京 210039）

1 引言

在微電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，芯片的運(yùn)算速度越來越快，封裝密度越來越大，功率密度也越來越高。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[1～2]，高功率集成電路的最高功率密度已經(jīng)達(dá)到660 W·cm-2，快速微處理器及功率半導(dǎo)體器件在應(yīng)用中常常因?yàn)闇囟冗^高而無法正常工作。電子器件的散熱問題是電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的技術(shù)瓶頸之一，新型電子封裝材料的研究開發(fā)已成為提升電子器件功率水平的技術(shù)關(guān)鍵[3～4]。理想的電子封裝材料應(yīng)具有高的熱導(dǎo)率，與Si、GaAs等半導(dǎo)體材料完全匹配的熱膨脹系數(shù)、低密度、足夠的強(qiáng)度和剛度?，F(xiàn)有的電子封裝材料，如Kovar、W/Cu、Mo/Cu、SiCp/Al、Sip/Al、AlN等材料，熱導(dǎo)率一般都不超過200 W·(m·K)-1，均難以滿足未來高功率、高集成密度器件的散熱需求[5]，表1是常見芯片與封裝材料的物理性能。因此，研制發(fā)展熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料匹配的超高熱導(dǎo)材料具有重要意義。

表1 常見芯片與封裝材料的物理性能

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（TypeⅡDiamond）可達(dá)2 000 W·(m·K)-1，熱膨脹系數(shù)約為(0.86±0.1)×10-5/K，且在室溫是絕緣體；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)-1，熱膨脹系數(shù)為16.5×10-6/K。因此，以金剛石為增強(qiáng)相、銅為基體材料的金剛石/銅復(fù)合材料，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，是一種極具競爭力的新型電子封裝材料[6～7]。

目前，金剛石/銅復(fù)合材料在應(yīng)用方面，美國處于領(lǐng)先地位[8～10]，國內(nèi)還鮮有報(bào)告，在應(yīng)用中還面臨著一些問題。本文從工程化應(yīng)用的角度出發(fā)，首先研究解決了金剛石/銅表面可焊性鍍層的制備問題。這是因?yàn)?，現(xiàn)有方法制備的金剛石/銅復(fù)合材料，其表面一般裸露著大量的（50%～75%體積分?jǐn)?shù)）金剛石，金剛石與一般的金屬之間有很高的界面能，其表面不易被金屬及焊料所浸潤，因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須在金剛石/銅表面形成附著性能良好的可焊性鍍層。本文采用磁控濺射、電鍍等方法，在金剛石/銅表面沉積了Ti-Cu-Ni-Au復(fù)合膜層，復(fù)合膜層能經(jīng)受功率芯片焊接時(shí)的溫度考核，與焊料潤濕良好，并對(duì)金剛石/銅的散熱效果做了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，其與鉬銅熱沉片相比具有更優(yōu)異的散熱效果。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用金剛石/銅材料由北京有色金屬研究總院提供，其型號(hào)為D60c，金剛石體積分?jǐn)?shù)為60%，熱導(dǎo)率為600 W·(m·K)-1，熱膨脹系數(shù)6.6×10-6/ K，密度5.4 g·cm-3。金剛石/銅材料的結(jié)構(gòu)形貌如圖1所示，金剛石粒徑約100 μm，金剛石顆粒均勻地分布在銅基體中，顆粒與基體之間結(jié)合良好、界面清晰無縫隙。

圖1 金剛石/銅的SEM

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)過程

2.3 測量方法

利用日立3400N掃描電鏡分析材料的表面形貌及能譜，采用X-TEK HAWK-160XI檢測焊接的效果，利用熱紅外儀分析、對(duì)比金剛石/銅片與常規(guī)鉬銅片的散熱效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 濺射膜層的選擇與優(yōu)化

金剛石/銅表面鍍覆的關(guān)鍵是在其表面能否與金屬膜層形成有效的鍵合，即在界面處形成金屬化合物。這就不僅要求底層金屬與金剛石/銅中的銅形成金屬鍵，而且還要求底層金屬與金剛石/銅中的金剛石形成適當(dāng)?shù)墓矁r(jià)鍵。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要對(duì)金剛石/銅進(jìn)行一系列的處理。

首先采取超聲除油等措施，確保金剛石/銅表面潔凈、無污染，為下一步的磁控濺射做準(zhǔn)備。磁控濺射時(shí)，首先確定濺射膜層的體系，根據(jù)碳與金屬、銅與金屬的相圖，底層可采用濺射Ti、Cr等活潑性金屬，其不僅能與金剛石形成附著力良好的金屬碳化物，而且還能與Cu形成附著力良好的金屬鍵，這樣就初步保證了底層與金剛石/銅的有效結(jié)合。本文采用Ti作為濺射底層，Ti層厚度分別為50 nm和200 nm，濺射Cu作為過渡層，Cu厚為1 500 nm。在其他工藝條件相同的情況下，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Ti的厚度對(duì)最終復(fù)合膜層的附著力有著決定性的影響。Ti層為50 nm時(shí)，復(fù)合膜層在溫度考核時(shí)失效的幾率大大增加，而Ti層厚度為200 nm時(shí)，失效幾率急劇降低。這是因?yàn)門i是一種較活潑的元素，Ti與C之間發(fā)生擴(kuò)散或界面反應(yīng)[11]，形成TiC金屬間化合物，TiC與金剛石之間有良好的潤濕性，但與Cu層之間潤濕性和結(jié)合力較差，當(dāng)Ti層較薄時(shí)，TiC與銅層直接接觸，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合膜層在考核時(shí)發(fā)生失效；當(dāng)Ti層增厚時(shí)，較厚的Ti層能起到阻擋作用，如圖3所示，使TiC不會(huì)大量聚集、穿越Ti-Cu界面，從而避免了上述失效的發(fā)生。圖4為在金剛石/銅上濺射200 nm Ti時(shí)的SEM及能譜，能譜中出現(xiàn)較強(qiáng)的Ti的能量峰（其中Cr為金剛石/銅基材制備時(shí)的添加物）。圖5為在金剛石/銅上濺射1 500 nm銅時(shí)的SEM及能譜，由圖可知，基體已完全覆蓋，能譜中金剛石的譜峰已經(jīng)消失。

圖3 當(dāng)Ti層較厚時(shí)其阻擋作用的示意圖

圖4 金剛石/銅濺射200 nm鈦后的SEM及能譜

圖5 金剛石/銅濺射Cu后的SEM及能譜

3.2 電鍍鎳金與應(yīng)力控制

為提高焊料在復(fù)合膜層上的潤濕性和復(fù)合膜層的熱穩(wěn)定性，金剛石/銅在濺射Ti-Cu之后，還需電鍍鎳、電鍍金，鎳作為阻擋層可降低銅-金之間的擴(kuò)散，提高復(fù)合膜層的高溫穩(wěn)定性，而表層的金與金錫焊料有著良好的潤濕性。

在金剛石/銅表面沉積Ti-Cu-Ni-Au復(fù)合膜層后，由于不同膜層之間熱膨脹系數(shù)的差異以及膜層沉積過程中固有的缺陷，導(dǎo)致復(fù)合膜層中存在一定的應(yīng)力，應(yīng)力若不加以控制，就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)焊接時(shí)復(fù)合膜層出現(xiàn)鼓泡、脫落等失效。應(yīng)力分布、起源較為復(fù)雜，且在膜層中是普遍存在、不可避免的。應(yīng)力的高低對(duì)復(fù)合膜層的附著力、耐溫性和穩(wěn)定性有著重要的影響。當(dāng)復(fù)合膜層與基體間的附著力一定時(shí)，復(fù)合膜層的應(yīng)力越大，其抵抗熱沖擊的能力越差，即在焊接或考核時(shí)膜層失效的幾率也越大。為降低復(fù)合膜層的應(yīng)力，筆者采用了兩步熱處理的方式，即電鍍鎳后，采用“鍍50 nm薄金+熱處理1+電鍍厚金+熱處理2”的方式，來進(jìn)一步降低復(fù)合膜層的應(yīng)力、提高附著力，熱處理曲線見圖6?！盁崽幚?”能降低金剛石/銅-Ti-Cu-Ni體系中的應(yīng)力、促使原子間的擴(kuò)散，而“鍍50 nm薄金”防止熱處理時(shí)鎳層發(fā)生氧化。“電鍍厚金+熱處理2”能進(jìn)一步降低Ti-Cu-Ni-Au復(fù)合膜層的應(yīng)力，同時(shí)，“熱處理2”能一定程度地模擬焊接溫升過程，并降低復(fù)合膜層焊接時(shí)的失效率。經(jīng)上述方式處理后，在金剛石/銅上沉積的Ti-Cu-Ni-Au復(fù)合膜層能經(jīng)受芯片焊接溫度的考驗(yàn)，而無鼓泡、脫落等膜層失效現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖6 熱處理曲線

3.3 焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)

在金剛石/銅表面沉積Ti-Cu-Ni-Au后，需選用適當(dāng)?shù)暮噶蠈?duì)功率芯片進(jìn)行焊接。表2為常見焊料的熱導(dǎo)率，選取適當(dāng)?shù)暮噶喜?yōu)化焊接工藝有利于降低界面熱阻、提高芯片的散熱效果。本文中采用金錫焊料，這是因?yàn)殡m然金鍺焊料有更高的熱導(dǎo)率，但其共晶溫度（356 ℃）遠(yuǎn)高于金錫的共晶溫度（280 ℃），金鍺焊料過高的焊接溫度對(duì)芯片有較大的破壞性，會(huì)帶來諸如芯片功能上的破壞和組裝后殘余熱應(yīng)力的增加等不利影響。

表2 常見焊料的熱導(dǎo)率

圖7為功率芯片采用金錫焊料焊接后的光學(xué)照片及X光檢測照片。由圖可知，金錫焊料鋪展良好，利用X光檢測儀測量焊接后的空洞率，測量軟件顯示焊透率達(dá)到95%，無明顯的空洞。

圖7 金錫焊接后光學(xué)照片及X光檢測圖

3.4 散熱效果

為驗(yàn)證鍍覆后的金剛石/銅片的實(shí)際散熱效果，筆者用常規(guī)的鉬銅與金剛石/銅熱沉片做了對(duì)比，熱沉片尺寸為12 mm×13 mm×1 mm。試驗(yàn)裝置如圖8所示，圖中①#位置和②#位置處的基板材料為金剛石/銅片，③#位置和④#位置處的基板材料為傳統(tǒng)的鉬銅片。

采用電阻模擬芯片發(fā)熱，電阻尺寸為2.4 mm×4.8 mm×2 mm，殼體材料為鋁硅，表面鍍金。冷板在靠近熱源下布置流道。殼體通過鎖緊機(jī)構(gòu)與冷板壓接，電阻發(fā)熱功率30 W，給電阻兩端輸入等效電壓，溫度穩(wěn)定后，通過熱紅外儀測量觀察4個(gè)位置處的電阻表面溫度。

為了消除熱電阻焊接位置帶來的熱耦合效應(yīng)，筆者把P1與P4、P2與P3的溫度做了對(duì)比。由圖9可知，應(yīng)用金剛石/銅片后，P1比P4降低了24 ℃，P2比P3降低了19 ℃，平均降溫幅度超過20 ℃，具有良好的散熱效果。對(duì)于器件的長期可靠性而言，工作溫度的降低能有效地提高器件的壽命，可見，金剛石/銅在電子器件特別是功率器件中的應(yīng)用，將能有效地提高器件的使用壽命和長期可靠性。

4 總結(jié)

金剛石/銅復(fù)合材料是一種新型封裝材料，其優(yōu)異的綜合性能尤其是導(dǎo)熱性能，吸引著國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的研究。本文采用磁控濺射、電鍍等方法在金剛石/銅表面獲得了附著力、可焊性良好的Au-Ni-Cu-Ti復(fù)合膜層，并對(duì)金剛石/銅的散熱效果做了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，金剛石/銅熱沉片與鉬銅熱沉片相比，具有更優(yōu)異的散熱效果。

圖8 散熱效果試驗(yàn)裝置

圖9 溫度測量

致謝

感謝北京有色金屬研究院的郭宏教授在金剛石/銅樣品上提供的幫助。

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