表面金属化—共沉积法制备金刚石/铜基封装材料的研究

论文摘要

本论文以制备高热导、低热膨胀系数的封装材料为目的，采用微米级人造金刚石为增强体，以表面金属化和化学沉积法制备出金刚石/铜复合材料。利用X射线衍射分析（XRD）、金相显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等对金刚石表面金属化后的组织性能以及复合材料的微观组织特征进行了研究，利用热膨胀测试仪、热导率测试仪等手段测试了复合材料的热物理性能，着重研究了颗粒度和不同表面改性方法对复合材料热导率和热膨胀系数的影响。获得如下研究结果:通过表面金属化和化学共沉积法制备了金刚石/铜（D/Cu）复合粉体，并采用粉末冶金工艺制备了D/Cu复合材料。通过实验，对化学镀铜预处理工艺进行了优化，通过浓HNO3表面粗化预处理工艺金刚石能被侵蚀出许多有利于镀层生长的微小凹坑，并通过对比实验确定了盐浴镀钛和铬时和金刚石的最佳质量比区间分别为1:3～1:4和1:8～1:10。采用化学镀、盐浴镀对金刚石进行表面改性。化学镀可以在金刚石表面镀覆上一层均匀致密的铜，有效的改善了金刚石与基体的浸润性。实验发现，金刚石在盐浴镀后实现了镀层和金刚石的冶金结合，且盐浴镀层比化学镀层界面结构致密，提出了金刚石盐浴镀钛和铬后碳化物的结构模型以及验证了碳化物在金刚石表面的生长机理。在镀后的金刚石和基体铜的结合中，作为过渡层的碳化物不仅增强了金刚石和铜的结合，更为改善金刚石增强铜基复合材料的导热和热膨胀性能起到了很好的桥接作用。结果表明：金刚石颗粒弥散分布于铜晶粒中，界面结合紧密，并存在位错、孪晶等亚结构。研究了不同金刚石颗粒度和改性方法对复合材料性能的影响，发现随着金刚石颗粒度的增加，电导率逐渐升高，复合材料的密度、显微硬度和抗拉强度随之下降。金刚石镀钛复合材料导热率（TC）值最大为310 W /（m·K），盐浴镀钛和铬的复合材料的热膨胀系数（CTE）较好分别在6.2～13.5℃和6.5×10-4/～14.5×10-4/℃之间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电子封装和电子封装材料
• 1.2.1 电子封装技术及其发展
• 1.2.2 对封装材料提出的要求
• 1.2.3 各种封装材料的优劣比较
• 1.3 铜基电子封装复合材料研究及应用现状
• 1.3.1 铜基电子封装复合材料的分类
• 1.3.1.1 颗粒增强型铜基复合材料
• 1.3.1.2 纤维增强型铜基复合材料
• 1.3.1.3 铜基平面复合型电子封装材料
• 1.3.2 常用铜基复合材料的增强体种类及特征
• 1.3.3 颗粒增强铜基复合材料的制备技术
• 1.3.3.1 粉末冶金法
• 1.3.3.2 机械合金化法
• 1.3.3.3 原位反应合成法
• 1.3.3.4 化学沉淀法
• 1.3.3.5 颗粒表面化学包覆法
• 1.3.4 颗粒增强铜基复合材料的性能及应用
• 1.3.4.1 力学性能
• 1.3.4.2 摩擦磨损特性
• 1.3.4.3 物理性能
• 1.4 人造金刚石的简介
• 1.4.1 人造金刚石的结构及性质
• 1.4.2 人造金刚石的晶形、分类及应用
• 1.4.2.1 金刚石的晶形
• 1.4.2.2 金刚石的分类
• 1.4.2.3 金刚石的应用
• 1.4.3 人造金刚石的合成
• 1.5 人造金刚石表面改性的研究进展
• 1.5.1 金刚石表面金属化定义
• 1.5.2 金刚石表面金属化的分类及实现途径
• 1.6 本研究工作内容及意义
• 第二章 实验材料、方法及设备
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 化学药品
• 2.2 材料制备工艺
• 2.2.1 复合材料制备方法
• 2.2.1.1 共沉积法制备D/Cu 复合粉末工艺流程
• 2.2.1.2 粉末冶金法制备D/Cu 复合材料工艺流程
• 2.2.2 金刚石表面改性实验工艺
• 2.2.2.1 化学镀铜
• 2.2.2.2 金刚石盐浴镀
• 2.3 试验方法与设备
• 2.3.1 材料制备用设备
• 2.3.2 材料性能测试设备与测试方法
• 2.3.2.1 密度
• 2.3.2.2 显微维氏硬度
• 2.3.2.3 电导率
• 2.3.2.4 抗拉强度
• 2.3.2.5 导热分析
• 2.3.2.6 膨胀系数分析
• 2.3.3 成份与微观结构的分析方法与设备
• 2.3.3.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.3.2 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.3.3.3 透射电子显微镜分析（TEM）
• 2.3.3.4 金相分析
• 第三章 金刚石化学镀铜、盐浴镀钛和铬的组织性能研究
• 3.1 金刚石化学镀铜
• 3.1.1 金刚石化学镀铜前处理
• 3.1.2 金刚石表面化学镀铜后的物相及结构分析
• 3.1.3 金刚石表面化学镀铜后的表面与界面表征
• 3.1.4 金刚石化学镀铜的基本原理
• 3.2 金刚石盐浴镀钛、金刚石盐浴镀铬
• 3.2.1 金刚石盐浴镀钛
• 3.2.1.1 金刚石盐浴镀钛表面形貌观察
• 3.2.1.2 金刚石盐浴镀钛层元素分布、物相及结构分析
• 3.2.1.3 金刚石盐浴镀钛后的界面分析
• 3.2.2 金刚石盐浴镀铬
• 3.2.2.1 金刚石盐浴镀铬表面形貌观察
• 3.2.2.2 金刚石盐浴镀铬层元素分布、物相及结构分析
• 3.2.2.3 金刚石盐浴镀铬后的界面表征
• 3.3 本章小结
• 第四章 金刚石增强铜基复合材料微观结构与性能研究
• 4.1 D/Cu 复合材料的微观组织结构研究
• 4.1.1 D/Cu 复合材料的微观组织结构
• 4.1.2 D/Cu 复合材料中位错、孪晶等组态
• 4.2 D/Cu 复合材料的性能研究
• 4.2.1 密度、电导率
• 4.2.2 硬度、抗拉强度
• 4.2.3 热膨胀系数、导热率
• 4.2.3.1 热膨胀系数
• 4.2.3.2 导热率
• 4.3 本章小结
• 第五章 全文结论和创新点
• 5.1 主要结论
• 5.2 本文创新点
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢