电子封装用碳纤维/铜复合材料制备工艺与性能研究

随着微电子技术高速发展,电子器件的高度集成化快速上升,芯片发热量也急剧增加,轻量化、高性能、快速散热能力已成为影响电子微型设备发展的重要因素,单一的电子封装材料已经不能满足要求。碳纤维/铜复合材料具有较高的热导率、较低的热膨胀系数、良好的加工性以及低密度等特点,被认为是一种合适的电子封装材料。本文采用“碳纤维表面电镀镍改性—电镀铜湿法混料—热压烧结成型”的方法制备了碳纤维/铜复合材料,研究了其组织和性能,具体为以下几个方面:(1)在碳纤维表面电镀镍进行表面改性,然后电镀铜制备碳纤维/铜复合丝,电镀镍改性能有效抑制镀铜层的高温球化。抗热冲击性实验表明改性后的复合丝耐热冲击性能明显提高,界面结合强度提升。(2)研究开发了“湿法配料-热压”制备短碳纤维/铜复合材料的工艺技术,直接在碳纤维表面电镀一层铜,制备了碳纤维体积分数可调的复合丝,然后将大量复合丝热压烧结成碳纤维/铜复合材料。有效解决了碳纤维团聚问题,成功制备了碳纤维均匀分布、高致密度的复合材料。其热性能研究结果表明:随着烧结温度升高,复合材料的致密度和热导率都是先增加后减小,热膨胀系数则有所降低。随着碳纤维体积分数增大,致密度、热导率以及热膨胀系数都随之降低。在碳纤维体积分数为30%时,复合材料致密度达到96.5%,热导率达到232 W/(m·K),热导率比“粉末混料-热压”法提高60%左右。(3)研究发现碳纤维表面涂覆镍作为改性层可改善碳纤维/铜的润湿性,提高烧结致密度;同时提高界面相容性,降低复合材料的界面热阻;并且镍过镀层的加入对碳纤维的催化石墨化具有促进作用,可以改善碳纤维的导热性能,从而进一步改善复合材料的热传导性能。在碳纤维铜复合材料中电镀0.48μm厚的镍过渡层,经过1000℃烧结后碳纤维体积分数为30%的复合材料热导率达到295W/(m·K),比碳纤维表面未改性的复合材料提高了27%。