铜基镶嵌结构界面金刚石膜及其膜/基结合力的研究

论文摘要

当今微电子技术高速发展,传统的散热材料如Cu、Al及新型的散热材料如BeO、SiC、AlN,其热导率越来越不能满足发展的需要,因此新型散热材料的研制已成为发展电子器件的关键之一。金刚石是热导率最高的材料,依靠声子导热;铜是金属中第二高导热材料,依靠电子导热。尽管铜与金刚石复合烧结能降低铜的热膨胀系数,但由于界面热阻增加,铜-金刚石复合烧结体热导率提高有限;而在铜上通过平直过渡层生长金刚石膜,因增加界面过渡层热阻,限制了热导率的进一步提高。本文通过复合电镀制备出铜-金刚石复合镀层,在铜基体上沉积出镶嵌结构界面金刚石薄膜。沉积铜基镶嵌结构金刚石膜的关键是在铜基体表面沉积出铜金刚石复合过渡层,金刚石颗粒部分露头、部分镶嵌。对铜-金刚石的上砂镀工艺进行了研究;针对铜与金刚石化学不相容的关键问题,进行了加固层中掺杂少量Cr和Mo的研究,并分别评估了铜加固、合金加固的复合镀层对膜/基结合性能的影响。采用扫描电子显微镜分析铜-金刚石复合镀层、Cu-Cr-Mo三元合金镀层、HFCVD金刚石薄膜的表面形貌及合金镀层的成分;采用XRD分析铜-金刚石复合镀层的相结构;采用电子探针（EPMA）定量分析Cu-Cr-Mo三元合金镀层各元素的含量及分布;采用拉曼光谱（Raman）评估金刚石薄膜的纯净度和内应力;用表面洛氏硬度仪进行压痕试验来评估金刚石膜与铜基体的结合力。结果表明:复合镀层中金刚石粒颗粒密度高,金刚石颗粒镶嵌紧密,铜镀层致密、平整,晶粒细小;合金镀层中Cr、Mo的含量高且可调,合金元素分布均匀,镀层致密平整;金刚石膜颗粒呈球状,膜层连续,膜层的金刚石拉曼峰明显,膜层中的石墨成分较少,膜层纯净;镶嵌结构界面过镀层增加了机械咬合部分膜/基结合力;采用Cu-Cr-Mo合金镀层作为加固镀层和打底镀层,膜/基结合力得到了进一步的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 散热材料的应用现状
• 1.2 新型散热材料的选择
• 1.2.1 散热材料所需的性质
• 1.2.2 金刚石
• 1.2.3 紫铜
• 1.3 铜-金刚石复合散热材料的研究现状
• 1.3.1 Cu-金刚石烧结复合材料
• 1.3.2 Cu 基体上沉积金刚石膜
• 1.4 制备铜-金刚石复合散热材料存在的问题
• 1.5 研究内容
• 1.6 研究意义
• 第二章 实验材料设备及表征
• 2.1 实验流程
• 2.2 实验所用设备及实验原理
• 2.2.1 直流电镀电源及直流电镀
• 2.2.2 脉冲电镀电源及脉冲电镀原理
• 2.2.3 热丝化学气象沉积设备
• 2.3 实验材料及预处理
• 2.3.1 实验所用材料
• 2.3.2 实验所用材料的预处理
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 电子探针显微分析仪
• 2.4.2 X 射线衍射仪
• 2.4.3 扫描电子显微镜
• 2.4.4 共聚焦激光拉曼光谱仪
• 2.4.5 洛氏硬度仪
• 第三章 铜-金刚石颗粒复合镀层的研究
• 3.1 引言
• 3.2 酸性镀液制备复合电镀层
• 3.2.1 酸性电镀液组分和电镀工艺
• 3.2.2 复合镀层的制备
• 3.2.3 复合镀层的X 射线衍射分析
• 3.2.4 复合镀层的表面形貌分析
• 3.2.5 酸性镀液制备复合镀层的优缺点
• 3.3 碱性镀液制备复合电镀层
• 3.3.1 碱性电镀液组分和电镀工艺
• 3.3.2 复合镀层的制备
• 3.3.3 复合镀层的表面形貌分析
• 3.3.4 复合镀层的断面形貌分析
• 3.3.5 碱性镀液制备复合镀层的优缺点
• 3.4 碱性镀液的改进
• 3.4.1 改进后的碱性镀液组分及工艺
• 3.4.2 复合镀层的表面形貌分析
• 3.4.3 制备金刚石粒度为5μm 的复合镀层
• 3.4.4 碱性镀液改进后制备复合镀层的优缺点
• 3.5 本章小结
• 第四章 铜-铬-钼三元合金电镀
• 4.1 引言
• 4.2 硫酸盐镀液制备铜-铬-钼三元合金电镀层的研究
• 4.2.1 硫酸盐电镀液的组分及配制
• 4.2.2 硫酸盐制备铜-铬-钼三元合金镀层的工艺研究
• 4.2.3 硫酸盐制备铜-铬-钼三元合金镀层的波谱分析
• 4.2.4 硫酸盐制备铜-铬-钼三元合金镀层的能谱及形貌分析
• 4.2.5 硫酸盐制备铜-铬-钼三元合金镀层的断面分析
• 4.2.6 硫酸盐镀液制备铜-铬-钼合金镀层的优缺点
• 4.3 氟硼酸盐镀液制备铜-铬-钼三元合金电镀层的研究
• 4.3.1 氟硼酸盐电镀液的组分及配制
• 4.3.2 氟硼酸盐制备铜-铬-钼三元合金镀层的工艺研究
• 4.3.3 氟硼酸盐制备铜-铬-钼三元合金镀层的波谱分析
• 4.3.4 氟硼酸盐制备铜-铬-钼三元合金镀层的能谱及形貌分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 热丝化学气相沉积金刚石膜
• 5.1 铜加固复合镀层制备金刚石膜及性能研究
• 5.1.1 样品制备
• 5.1.2 铜加固复合镀层制备金刚石膜的表面形貌
• 5.1.3 铜加固复合镀层制备金刚石膜的拉曼（Raman）光谱
• 5.1.4 铜加固复合镀层制备金刚石膜的膜/基结合力
• 5.2 Cu-Cr-Mo 合金加固复合镀层制备金刚石膜及性能研究
• 5.2.1 制备样品
• 5.2.2 合金加固复合镀层制备金刚石膜的表面形貌
• 5.2.3 合金加固复合镀层制备金刚石膜的拉曼（Raman）光谱
• 5.2.4 合金加固复合镀层制备金刚石膜的膜/基结合力
• 5.3 膜/基结合力的分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件