电子封装用金刚石复合材料的制备及导热性能研究

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金刚石具有高热导率、低热膨胀系数、低密度以及良好的电绝缘性的特点,因此金刚石复合材料成为最具潜力的电子封装材料之一。本课题对玻璃/金刚石复合材料烧结工艺进行了对比研究;采用无压烧结制备了玻璃/金刚石复合材料,探究了金刚石含量、粒径以及添加剂对其性能的影响;采用高温高压烧结制备了玻璃/金刚石、Si/玻璃/金刚石和AlN/金刚石复合材料,探究了组成及添加剂对复合材料性能的影响;探讨了金刚石复合材料的导热机理并对其影响因素进行了分析。本论文的主要研究工作和结论如下:1.不同烧结方法制备的玻璃/金刚石复合材料中无压烧结试样介电常数和介电损耗最低、绝缘性最好,且具有较高的热导率并且烧结温度低,满足LTCC(低温共烧陶瓷)的制备及应用要求;热压烧结和SPS制备的试样与无压烧结试样相比热导率提高并不明显、电性能有所变差;高温高压烧结制备的试样热导率最高,可用于高散热需求的封装材料,介电常数和介电损耗相对较大、电阻率较低但仍然满足电子封装材料的应用要求。2.无压烧结制备的玻璃/金刚石复合材料的热导率随CaF2添加量的增加呈现先升高后降低的趋势,添加6 wt.%CaF2试样的热导率为14.59 W·(m·K)-1,较未添加时提高了49.49%;稀土添加剂对复合材料的性能影响显著,且作用效果CeO2/Y2O3>CeO2>Y2O3,添加4 wt.%CeO2/Y2O3的试样热导率达到17.57W·(m·K)-1,较未添加时提高了80.02%。3.高温高压制备的玻璃/金刚石复合材料的热导率随金刚石含量的增加先增加后降低,当金刚石含量为90 wt.%时,达到最大值118.73 W·(m·K)-1,在其中添加0.3 wt.%碳纳米管(CNTs)使复合材料热导率提高了22.44%。4.高温高压制备的Si/玻璃/金刚石和AlN/金刚石复合材料热导率较高,分别达到了185.41 W·(m·K)-1和193.18 W·(m·K)-1,并且电绝缘性好,弥补了高导热金属基金刚石复合材料电绝缘性差的不足。5.探讨了金刚石复合材料的导热机理及影响因素。金刚石复合材料的界面热导值处于热导率变化曲线的增长区,界面热阻对复合材料热导率的影响显著,降低界面热阻可以有效地提高复合材料的热导率。
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