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🤔 摘要
一种将扩散焊与轧制相结合的新工艺被用于制造用于电子封装应用的Cu/Mo70-Cu/Cu （CPC）复合材料。制造了具有不同厚度比的三种样本。制造了低热膨胀系数()、高导热性()、低密度()和特别高结合强度()的CPC复合材料。CPC复合材料的结合机制是金属结合、直接Cu-Cu结合和表面破裂机制的组合。与传统工艺相比，采用此方法制造的CPC复合材料具有结合强度高、厚度比可控和微型化等优点。
关键词-结合强度，Cu/Mo70-Cu/Cu（CPC），扩散焊，轧制
📝介绍
Cu/Mo/Cu（CMC）复合材料已经被广泛用于机械、磁性和电子应用领域，并且能够满足复杂电子设备的需求[1]–[4]。然而，Cu/Mo70-Cu/Cu(CPC)复合材料是最近开发的复合材料，其核心材料是通过将铜渗透到钼骨架中制造的，其性能优于CMC，例如密度更低、热导率更高、结合强度更高[5]–[7]。CPC复合材料的热膨胀系数（CTE）和热导率与Al2O3、BeO3和其他常用于电子封装的陶瓷材料相匹配[8]–[10]。
当前连接 Mo/Cu 复合材料的主要方法有轧制[2]，[5]，[11]、爆炸焊接[12]和扩散焊接[3]，[13]。轧制作为一种传统技术，已被广泛用于制造CPC/CMC复合材料。然而，其中一个主要挑战是轧制过程中核心材料的宏观边缘裂缝。当使用纯钼板作为核心材料时，这一挑战更为严重。另一个挑战是钼和铜粒子之间的界面微观裂缝，从而导致密封性差[2]。扩散焊接是一种固态焊接工艺，允许在压力和高温下将接触面连接起来，并且具有最小的宏观形变。它已被用于连接几乎所有具有不同化学和冶金性质的金属材料，这种连接不适合于使用传统的焊接方法[14]。这种焊接工艺不会在连接界面引入意外相的形成，这种相在一些先进材料中可能会发生，同时还可以避免熔合焊缺陷的常见缺陷，例如裂纹，孔洞和偏析[15]，[16]。爆炸焊接通常被认为是一种冷加压焊接，特别适用于焊接性能极不同的异种金属，例如Cu/Mo[12]。然而，控制厚度比的过程是困难的，同时该过程比其他传统过程更严格和危险。
当前，由于钼和铜在液态或固态中本质上是不相溶的，因此难以制造不出核心材料裂纹和保证铜板和Mo70-Cu板之间可靠连接的CPC复合材料[17]。因此，为了解决这个问题，不仅需要合理的热包装和设计，而且还需要寻找新的技术。本文提出了一种将扩散焊和轧制相结合的新工艺，用于制造用于电子封装应用的高结合强度CPC复合材料。
🤗实验
在典型的工艺过程中，商业纯铜板（约占99.97％重量）和 Mo70-Cu 板（铜含量为30％）分别用作包覆层和三明治层。 Mo70-Cu 板通过均匀地渗透铜到 Mo 骨架中制造而成。所有板材均被切成65mm × 40mm大小的薄片。选择两个铜板和一个 Mo70-Cu 板并按1:2:1、 1:1.5:1 和 1:1:1 mm 的比例堆叠成一组，用于粘结。
要粘结的薄片表面从400到2000砂纸都是用碳化硅纸打磨平坦，然后连续使用钻石抛光膏进行抛光，直到没有明显的划痕。所有表面都在丙酮浴中超声波清洗，以避免新的杂质，然后在空气中干燥。表面处理完成后，按CPC的顺序依次将这些薄片堆叠在一起，并将其放入扩散焊炉中，在H2保护气氛下以900°C进行扩散焊合30分钟。在规定样品上施加10 MPa的恒定单轴压缩载荷。然后，在接下来的轧制过程中，引入了塑性变形和厚度减小，每次单程变形比不超过25％，直到总变形比达到约55％为止。轧制速度为0.435 m / s。然后，将CPC复合材料送入管式炉进行保温，保温温度为700°C，保温时间为30分钟，在保护气氛下进行。最后，通过冷轧将CPC复合材料的厚度顺序降低。此过程如图1所示。
根据中国标准（GB/T6396-1995），将CPC复合材料切割成采用线切割法进行剪切试验的样品。此外，使用美国Instron-3369剪切测试机以1 mm / min的速度测量CPC复合材料的剪切强度。被测试样品的尺寸如图2所示。
使用扫描电子显微镜（FEI Quanta-200）观察断口表面和CPC接口的背散射电子图像，使用光学显微镜表征外部特征。有一个12.5 mm × 4 mm大小的样品用于通过激光TC分析仪（JR-2）测量TC，另有一个20 mm × 4 mm × 1.5 mm大小的样品用于通过热机械分析仪（NETZSCH DIL 402 PC）测量CTE（测试条件：T <400°C，加热速率=20°C / min）。
结果与讨论
A. 表面和界面特征
扩散焊合和轧制之后的CPC复合材料的截面和表面特征如图3所示。在图3（a）中，可以看到CPC复合材料在热轧后仍然平滑，热轧是在扩散焊合之后以800°C进行的，没有明显的边缘裂纹。相同变形比下，在冷轧后，复合材料的两侧出现了一些轻微的边缘裂纹，如图3（b）所示。由于相较于冷轧，热轧提高了Mo70-Cu板的可变性并在一定程度上改善了CPC复合材料的应力状态。在图3（c）和（d）中，厚度减小过程后界面上没有微孔、微裂纹和其他可见缺陷。此外，Mo和Cu颗粒的晶粒沿界面方向拉伸，表明发生了严重的塑性变形。随着进一步的塑性变形，工作硬化变得更加严重，导致核心材料表面局部裂纹。然后，在高压力下，包覆板侧的铜可以被挤入裂缝中，如A点所示。此外，当变形比达到约95％时，边缘有严重的裂纹，甚至核心材料大幅破裂，这里没有展示。
CPC复合材料在特定变形比下的厚度比在图4中展示。当变形比约为90％时，厚度比分别为1:1:1、1: 1.5:1和1:2:1，接近原始设计。此外，图5展示了不同变形比下CPC复合材料的厚度比。随着变形比的增加，厚度比（约为1:1:1）没有明显变化。当塑性变形率达到约95％时，由于核心材料的严重工作硬化和局部表面裂纹，厚度比开始偏离原始设计。
B. CPC复合材料的性质
CPC复合材料的剪切强度如表1所示。[11]、[17]和[18]研究了退火工艺、表面处理和轧制过程参数对CPC/CMC电子复合包装材料的力学和物理性质的影响，在这些研究中这些复合材料的最大剪切强度约为80 MPa。为了研究轧制对剪切强度的影响，使用与本文相同的参数进行扩散键合以制备CPC复合材料。此外，剪切强度约为180 MPa，比轧制后的CPC复合材料（约260 MPa）低。因此，轧制过程极大地增强了键合效果。此外，不同厚度比例的CPC复合材料的剪切强度没有明显差异。此外，使用相同参数制备的CMC复合材料的剪切强度约为200 MPa，低于CPC。CPC复合材料的键合不仅受轧制过程的影响，还受接触材料的影响。因此，这种方法可以制备不同C:P厚度比例的CPC复合材料，因为键合条件与厚度比例无关（如表1所示）。
CPC复合材料的TC和CTE如表II所示。与[2]和[19]中报道的相比，通过这种方法制造的CPC复合材料具有良好的综合性能，密度为9.2 g/cm3，CTE为8.5 K−1，TC为278 W/(m·K)。此外，此性能可以满足电子包装的需求。值得注意的是，由于测试样品的不同位置，在本方法制造的1:1.5:1 CPC复合材料与[19]中报告的1:3:1 CPC的CTE相似。
C. 键合机理
观察剪切区域图像和CPC复合材料的EDS分析以研究键合机理，如图6所示。在图6(c)中，很明显在铜侧没有观察到Mo，这证实界面上没有明显的Mo扩散。此外，由于Cu的添加，铜的含量随着距离界面的减小而增加，这是因为在高压下从包层板中挤压到芯材料中的Cu。众所周知，Mo和Cu在液态或固态下本质上无法混溶 [2]、[7]、[11]，因此Mo和Cu之间不存在明显的扩散 [18] [20]。
此外，CMC复合材料的键合机制主要是通过无污染区域的密切接触实现的金属键合，这在[18]和[20]中有描述。与CMC复合材料相比，CPC复合材料的芯材料是通过Cu均匀渗透到Mo骨架中制造的Mo70-Cu板 [8]-[10]，因此Cu均匀分布在Mo70-Cu板的表面上。扩散键合后，包层板上的Cu与芯材料表面暴露的Cu融合，建立了直接Cu–Cu键合，这在[21]中有描述，如图3(d)中B点所示。当向CPC复合材料引入塑性变形时，直接Cu-Cu键合通过在界面中均匀分布的销的作用，不仅促进了和谐变形，还抑制了塑性变形并增强了键合。此外，直接Cu-Cu键合可以通过内部核心材料中留下的孔来说明，如图6(a)所示。因此，CPC复合材料的剪切强度比使用本方法制造的CMC复合材料高，如表1所示。
此外，在轧制过程中，包层板的铜被挤入芯板表面的裂缝中 [17]，如图3(d)中的A点所示。由于钼的延展性较差，拉伸开的钼很容易被Cu板带走并留在Cu侧，如图6(b)中的白色颗粒所示。同样，在三明治层的剪切区域以及包层板上发现了一些填充了铜的区域和孔洞。这可以用[17]中描述的表面破裂机制来描述，该机制表明，对于轧制过程，一些铜被挤入在高压下由核心材料表面破裂产生的裂缝中，这增加了接触面积，有利于金属键合。因此，由于这种机制的存在，CPC复合材料的键合可以在轧制后进一步增强。综上所述，认为本方法制造的CPC复合材料的键合机制是金属键合、直接Cu-Cu键合和表面破裂机制的组合。
总结
采用扩散键合与轧制相结合的新技术制造了三种不同厚度比例的CPC复合材料，用于电子封装应用。制造了厚度比例为1:2:1、1:1.5:1和1:1:1的样品。制造了CTE低、TC高、密度低且键合强度特别高（）的CPC复合材料。与传统轧制相比，采用该方法制造的CPC复合材料的键合强度几乎三倍。此外，其板材形状细腻，厚度比例可控。CPC复合材料的键合机理是金属键合、直接Cu-Cu键合和表面破裂机制的组合。这些符合微型化和可靠键合需求的复合材料可用作电子封装工业中的散热材料。
- 作者:VON
- 链接:https://baisihan.asia/article/e183eb5b-631e-4953-8a42-577da0d60b74
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