D01:10.13374.isml00103x.2009.08.010 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2009 SPS方法制备铜/金刚石复合材料 张毓隽童震松沈卓身 北京科技大学材料科学与工程学院。北京100083 摘要采用放电等离子烧结(SPS)方法制备出高体积分数的铜金刚石复合材料，并对复合材料的致密度、热导率和热膨胀 系数等进行了研究.结果表明，采用该方法制备的铜/金刚石复合材料微观组织均匀，致密度分布为94%~99%，最高热导率 为305W(mK)一1，热膨胀系数与常见电子半导体材料相匹配能够满足电子封装材料的要求 关键词复合材料：热导率：热膨胀系数：电子封装：放电等离子烧结 分类号TB333 Preparation of Cu/diamond composites by spark plasma sintering ZHANG Yu-jun.TONGZhen-ong.S HEN Zhuo-shen School of Materals Science and Engireering.University of Science and Technology Biing.Beijng 100083 China ABSTRACT High volume fracion Cu/diamond composites were successfully prepared by spark plasma sintering(SPS).Their rela- tive density,thermal conductivity and coefficient of thermal expansion (CTE)were investigated.It is found that the composites have a uniform microstructure w ith the relative density from 94%to 99%.the highest thermal conductivity of 305 W'(m'K),and the CTE matching with common elecronic semiconducor materials.All these properties can meet the demands of electronic packag- ing materials. KEY WORDS composites thermal conductivity:coeficient of thermal expansion;electronic packaging spark plama sintering 随着电子工业的迅猛发展，电子产品的性能在 材料一AVSiC、AVSi等虽然这些材料在密度上 不断提高的同时，其体积却在不断地小型化.虽然 有很大优势，但是在热导率上提高并不明显，而且由 人们也在设计上使功耗降低.但是总得来说集成电 于A1基复合材料的钎焊技术仍不成熟，因此至今国 路产品单位面积上的发热量是显著增大的.因而， 内没有投入规模化的应用习.对于第4代封装材 对于一些散热量较大的电子元器件来说。采用热导 料一铜/金刚石来说除了密度上略高于Al/SiC 率较高的封装材料是必不可少的.特别是国防和航 之外，在热导率和钎焊便利性上来说全面超过第3 空航天工业中的激光二极管、大功率示波器等，都需 代封装材料.它已经成为目前国际上电子封装材料 要严格的散热条件，这对封装材料提出了很高的要 的新焦点本).在国内，这方面的研究还处于起步 求卜 阶段，很少见到相关报道. 封装材料要求在热膨胀系数与常见的半导体材 本工作采用近年来新兴的一种烧结技术一 料相匹配的基础上，热导率越高越好，而对于航空和 SPS进行铜/金刚石复合材料制备，克服了由于铜与 航天应用来说密度也是需要考虑的一个方面.目 金刚石润湿性差造成的烧结困难，得到了致密度较 前的第1代封装材料一可伐合金，第2代封装材 高、弥散相分布均匀、热导率较高、热膨胀系数与常 料一钨铜和钼铜，虽然它们的热膨胀系数比较符 见半导体材料相匹配的烧结块体材料，是一种很有 合要求，但热导率较低，并且密度较大.第3代封装 应用前景的电子封装材料. 收稿日期：200809-28 作者简介：张毓隽(1976一)，男，博士研究生：沈卓身(1960一)，男，教授.博士生导师，E-mal:shenzs@m威c.us山.d山cmSPS 方法制备铜/金刚石复合材料 张毓隽 童震松 沈卓身 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 采用放电等离子烧结(SPS)方法制备出高体积分数的铜/ 金刚石复合材料, 并对复合材料的致密度、热导率和热膨胀 系数等进行了研究.结果表明, 采用该方法制备的铜/ 金刚石复合材料微观组织均匀, 致密度分布为 94 %～ 99%, 最高热导率 为 305 W·(m·K)-1 , 热膨胀系数与常见电子半导体材料相匹配, 能够满足电子封装材料的要求. 关键词 复合材料;热导率;热膨胀系数;电子封装;放电等离子烧结 分类号 TB333 Preparation of Cu/diamond composites by spark plasma sintering ZHANG Y u-jun , TONG Zhen-song , S HEN Zhuo-shen S chool of Materials S cience and Engineering , Universit y of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China ABSTRACT High v olume fraction Cu/diamo nd composites w ere successfully prepared by spark plasma sintering(SPS).Their rela￾tiv e density , thermal conductivity and coefficient of thermal ex pansion (CTE)were investig ated .It is found that the composites have a uniform microstructure , w ith the relative density from 94% to 99 %, the highest thermal conductivity of 305 W·(m·K)-1 , and the CTE matching with commo n electronic semiconductor materials.All these properties can meet the demands of electronic packag￾ing materials. KEY WORDS composites;thermal conductivity ;coefficient of thermal expansion ;electro nic packaging;spark plasma sintering 收稿日期:2008-09-28 作者简介:张毓隽(1976—), 男, 博士研究生;沈卓身(1960—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:shenzs@mat er .ustb.edu.cn 随着电子工业的迅猛发展 , 电子产品的性能在 不断提高的同时, 其体积却在不断地小型化.虽然 人们也在设计上使功耗降低, 但是总得来说, 集成电 路产品单位面积上的发热量是显著增大的.因而 , 对于一些散热量较大的电子元器件来说, 采用热导 率较高的封装材料是必不可少的 .特别是国防和航 空航天工业中的激光二极管、大功率示波器等 ,都需 要严格的散热条件 ,这对封装材料提出了很高的要 求 [ 1-2] . 封装材料要求在热膨胀系数与常见的半导体材 料相匹配的基础上, 热导率越高越好,而对于航空和 航天应用来说, 密度也是需要考虑的一个方面.目 前的第 1 代封装材料 ———可伐合金 ,第 2 代封装材 料———钨铜和钼铜, 虽然它们的热膨胀系数比较符 合要求 ,但热导率较低,并且密度较大 .第 3 代封装 材料 ———Al/SiC 、Al/Si 等, 虽然这些材料在密度上 有很大优势 ,但是在热导率上提高并不明显,而且由 于 Al 基复合材料的钎焊技术仍不成熟, 因此至今国 内没有投入规模化的应用[ 3] .对于第 4 代封装材 料 ———铜/金刚石来说, 除了密度上略高于 Al/SiC 之外,在热导率和钎焊便利性上来说, 全面超过第 3 代封装材料 .它已经成为目前国际上电子封装材料 的新焦点[ 4-7] .在国内, 这方面的研究还处于起步 阶段,很少见到相关报道. 本工作采用近年来新兴的一种烧结技术 ——— SPS 进行铜/金刚石复合材料制备,克服了由于铜与 金刚石润湿性差造成的烧结困难, 得到了致密度较 高 、弥散相分布均匀 、热导率较高、热膨胀系数与常 见半导体材料相匹配的烧结块体材料, 是一种很有 应用前景的电子封装材料. 第 31 卷 第 8 期 2009 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.8 Aug.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.08.010