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

隨著軍事科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代國防武器裝備系統(tǒng)對軍用雷達電子裝備提出了越來越高的要求，軍用雷達電子裝備的功率越來越大，組裝密度越來越高，導致軍用雷達微波功率組件的熱流密度不斷提高，散熱問題逐漸成為微波功率組件首先要解決的關(guān)鍵問題之一，且隨著熱流密度的不斷升高，頂層散熱對高效熱傳導技術(shù)的依賴會更強，新型高導熱材料也逐漸成為各國應用研究的熱點。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)成本高的問題，金剛石是自然界中熱導率最高的物質(zhì)，常溫下熱導率(Ⅱ型金剛石)可達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。金屬銅的熱導率高、價格低、容易加工，是常用的封裝材料，其熱導率為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。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效果，且隨著熱流密度的增加，優(yōu)勢將越來越顯著。但是，工程中實際導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標，容易造成焊接空洞率較高，從而導致焊接熱阻的急劇增大，使得由于金剛石/銅熱導率增大帶來的溫度改善弱化。此外，新型材料在微波功率組件中的應用還要滿足工程環(huán)境條件的考核，文獻[1-2]針對金剛石/銅材料的鍍覆性和焊接性進行了前期試驗研究，并通過磁控濺射、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，對金剛石/銅在工程應用中面臨的若干問題開展試驗研究并初步驗證了其在工程中應用的可行性。

1 國內(nèi)外研究進展

國外對于金剛石/銅的研究較早，1995年美國Sun Microsystems公司與Lawrence Livermore國家實驗室聯(lián)合開發(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公司宣布開發(fā)出金剛石/銅，并取名為DMCH，其熱導率可達600 W/(m·K)以上[3-6]。經(jīng)過多年研究，金剛石/銅的制備技術(shù)日趨成熟完善，目前美國、日本和奧地利在該領(lǐng)域的研發(fā)和工程應用方面處于領(lǐng)先地位，在微電子、光電子和真空電子封裝等方面已經(jīng)逐漸開始有相關(guān)工程應用的報道，并逐漸發(fā)展出金剛石/鋁以及金剛石/銀，比如法國THALES和奧地利PLANSEE公司聯(lián)合研制了金剛石/銀作為MCM的高導熱底板，如圖1所示。

圖1 金剛石/銀用于MCM散熱

國外相關(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)應用的報道。

國內(nèi)由于前期缺乏需求牽引，對預研投入較少，缺少技術(shù)積累，對于金剛石/金屬基復合材料的研究起步較晚。北京有色金屬研究院、北京科技大學和湖南大學等單位正在開展金剛石/銅材料的制備工作[7]。目前國內(nèi)更多關(guān)注的是材料的制備技術(shù)和性能改進工作，在工程以及雷達微波功率組件上的應用研究和報道并不多見。

2 工程應用研究

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

表1 樣件性能參數(shù)

從測試結(jié)果看，熱導率雖然與國外報道仍有一定差距，但與現(xiàn)在工程上使用的AlSi合金(熱導率120 W/(m·K)左右和Mo/Cu復合材料(熱導率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用的封裝條件。

2.1 鍍覆和焊接性能

對金剛石/銅展開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，實現(xiàn)其表面鍍鎳-鍍金工藝，且經(jīng)過(-55 ℃, 15 min)和(125 ℃, 15 min)高低溫循環(huán)試驗100次后，樣品表面無變色、鼓泡、脫落等膜層失效現(xiàn)象發(fā)生，可以初步判定金剛石/銅復合材料可實現(xiàn)化學鍍鎳-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。

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

圖2 金剛石/銅與模擬芯片焊接的聲學顯微鏡掃描圖像

2.2 環(huán)境試驗考核

微波功率組件因其不同的應用場合，對使用的環(huán)境適應性要求較高，需要對其在高低溫、振動沖擊等相關(guān)環(huán)境條件下使用的可靠性進行考核。因此根據(jù)真實微波功率組件的封裝結(jié)構(gòu)，通過焊接模擬芯片和組件殼體來初步檢驗其在工程中應用的可適性。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)境試驗及部分試驗照片如表2和圖3所示。

表2 環(huán)境試驗項目及條件

圖3 金剛石/銅樣件振動測試照片

2.3 剪切力測試

為了檢驗環(huán)境試驗前后的焊接狀態(tài)，參照《GJB 548B—2005微電子器件試驗方法和程序》對焊接處進行剪切強度測試，見圖4。測試儀器為DAGE4000多功能推拉力測試儀，測試位置分別為模擬芯片焊接層和組件殼體焊接層。測試結(jié)果表明，焊接層在環(huán)境試驗前均能通過20 kg的非損剪切力測試；試驗后，均能通過破壞性剪切強度80 kg的要求，高于國軍標關(guān)于剪切強度的要求。

圖4 金剛石/銅焊接剪切力測試

2.4 熱特性仿真和測試

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，在20 W發(fā)熱功率條件下(等效熱流密度為174 W/cm2)，金剛石/銅相對于Mo/Cu可以帶來12.6 ℃的溫度改善。

根據(jù)仿真模型搭建試驗測試系統(tǒng)，測試原理和實物如圖7所示。

圖7 試驗測試系統(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 試驗測試結(jié)果

3 結(jié)束語

金剛石/銅復合材料是一種新型導熱材料，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題，針對金剛石/銅在工程應用中面臨的若干問題開展試驗研究，研究結(jié)果表明：

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

2)經(jīng)過剪切力測試，焊接性能可以滿足軍用雷達的高低溫、振動以及沖擊的使用條件；

3)經(jīng)過熱學模型仿真和試驗測試，在20 W發(fā)熱功率下，相對于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/銅復合散熱材料的制備和檢測[J]. 電子與封裝, 2014, 14(2): 9-12, 15.

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