碳/金屬復合電子封裝材料界面設計及熱性能研究
發(fā)布時間：2021-01-02 04:41
隨著微電子技術的高速發(fā)展,電子封裝向高集成、高性能、微型化、高可靠性方向發(fā)展,對電子封裝材料的性能提出了更高要求。碳/金屬復合材料具有高的熱導率、可調的熱膨脹系數及低密度的特點,成為電子封裝用復合材料的研究熱點。本文采用有限元方法對碳/金屬復合材料的熱性能進行了模擬與預測,并分別采用真空熱壓法和壓力熔滲方法對石墨/銅復合材料與金剛石/鋁復合材料進行了研究。通過增強體表面改性對復合材料的界面結構與特性進行調控,獲得了高的導熱性能。本文具體開展了以下幾個方面的研究工作:（1）采用Ansys有限元軟件建立了考慮界面熱阻作用的顆粒增強復合材料三維實體模型,通過建立接觸對、設定實常數的方法定義復合材料界面的熱傳導作用,使得模型更接近真實情況,能更好的體現界面熱阻對復合材料宏觀熱導率的影響。利用此模型,討論了界面熱阻、組分材料性質、增強體顆粒大小、體積分數等因素對復合材料宏觀熱導率的影響規(guī)律和復合材料組份對復合材料熱膨脹性能的影響。針對復合材料的實際微觀結構特征,建立了非均勻界面熱阻金剛石/鋁復合材料的有限元模型,并結合復合材料的斷口形貌,對復合材料熱傳導性能的主要影響因素進行了分析。金剛石{10...
【文章來源】：湖南大學湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：149 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
電子封裝熱管理的三種類別芯片級熱管理主要是將半導體器件或芯片工作時產生的熱量傳遞出來，面臨
填充顆粒的形狀一般是不規(guī)則的并且顆粒隨機分布在復合材料中，本文中采用周期性結構實體模型對實際顯微結構進行簡化。同時，考慮到二維實體模型在模擬填充材料的形狀、顆粒堆積、界面熱阻等方面的局限性，文中的模擬在三維尺度下進行。對于單一粒徑顆粒填充復合材料，受填充顆粒形狀的影響，填充物體積分數一般最高能達到 65%左右。為了確定實體模形中顆粒的堆積方式，計算等徑球形顆粒在不同堆積方式下填充物的最大體積分數。當球形顆粒以簡單立方、體心立方、面心立方方式堆積時，顆粒體積分數分別為 52.36%、68.02%和 74.05%[126]。因此，我們對實體模型進行了第二次近似處理：用球形顆粒取代實際情況中不規(guī)則顆粒。將球形顆粒按體心立方方式堆積所得模型的體積分數即可滿足單一粒徑顆粒填充復合材料的要求。同時，考慮到顆粒堆積方式的體對稱以及周期性出現特點，可只對模型中周期性出現的代表性體積元進行模擬求解。本文中顆粒堆積方式及復合材料微觀實體模型如圖 2.2 所示。圖 2.2(a)展示了代表性體積元中顆粒的堆積方式，圖 2.1(b)即本文使用的微觀尺度顆粒填充復合材料實體模型。
圖 2.3 復合材料有限元模型網格劃分結果擬中接觸對的建立與實常數的設定料的重要組成部分，它對材料的綜合性能有界面對復合材料作用。但是，由于界面的特寸存在數千倍的差異，若對界面層進行建模會發(fā)生數量級的變化，最終可導致實體模形本文在模擬界面對復合材料宏觀熱傳導性能問題。通過設定接觸單元實常數的方法來描流的散射、阻擋作用。利用 ANSYS 有限元接觸對如圖 2.4 所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]壓力燒結銅-石墨復合材料的相對密度及性能研究[J]. 葉雨順,左孝青,楊牧南,周蕓,陸建生. 功能材料. 2014(19)
[2]界面設計對Sip/Al復合材料組織和性能的影響[J]. 劉猛,白書欣,李順,趙恂,熊德贛. 材料工程. 2014(08)
[3]熱壓燒結制備石墨/銅復合材料的熱性能研究[J]. 許堯,薛鵬舉,魏青松,史玉升. 熱加工工藝. 2013(12)
[4]純鋁與石墨、SiC和Al2O3的潤濕性（英文）[J]. 包薩日娜,唐愷,Anne KVITHYLD,Thorvald ENGH,Merete TANGSTAD. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(08)
[5]Selective interfacial bonding and thermal conductivity of diamond/Cu-alloy composites prepared by HPHT technique[J]. Hui Chen1), Cheng-chang Jia1), Shang-jie Li2), Xian Jia1), and Xia Yang1) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, China 2) Shenzhen Haimingrun Industrial Co. Ltd., Shenzhen 518126, China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(04)
[6]Effects of boron on the microstructure and thermal properties of Cu/diamond composites prepared by pressure infiltration[J]. Ye-ming Fan1),Hong Guo1),Jun Xu1),Ke Chu1),Xue-xin Zhu1),and Cheng-chang Jia2)1) Non-Ferrous Metal Processing Division,General Research Institute for Non-ferrous Metals,Beijing 100088,China 2) Institute of Powder Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2011(04)
[7]Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J]. Xuan-hui QU,Lin ZHANG,Mao WU,Shu-bin REN State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, Beijing Key Laboratory for Powder Metallurgy and Particulate Materials, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(03)
[8]電子封裝陶瓷基片材料的研究進展[J]. 李婷婷,彭超群,王日初,王小鋒,劉兵. 中國有色金屬學報. 2010(07)
[9]電子封裝技術的研究進展[J]. 何鵬,林鐵松,杭春進. 焊接. 2010 (01)
[10]顆粒增強鋁基復合材料研究與應用進展[J]. 蔣宇梅,顏金華. 中國科技信息. 2009(20)
本文編號：2952672
【文章來源】：湖南大學湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：149 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
電子封裝熱管理的三種類別芯片級熱管理主要是將半導體器件或芯片工作時產生的熱量傳遞出來，面臨
填充顆粒的形狀一般是不規(guī)則的并且顆粒隨機分布在復合材料中，本文中采用周期性結構實體模型對實際顯微結構進行簡化。同時，考慮到二維實體模型在模擬填充材料的形狀、顆粒堆積、界面熱阻等方面的局限性，文中的模擬在三維尺度下進行。對于單一粒徑顆粒填充復合材料，受填充顆粒形狀的影響，填充物體積分數一般最高能達到 65%左右。為了確定實體模形中顆粒的堆積方式，計算等徑球形顆粒在不同堆積方式下填充物的最大體積分數。當球形顆粒以簡單立方、體心立方、面心立方方式堆積時，顆粒體積分數分別為 52.36%、68.02%和 74.05%[126]。因此，我們對實體模型進行了第二次近似處理：用球形顆粒取代實際情況中不規(guī)則顆粒。將球形顆粒按體心立方方式堆積所得模型的體積分數即可滿足單一粒徑顆粒填充復合材料的要求。同時，考慮到顆粒堆積方式的體對稱以及周期性出現特點，可只對模型中周期性出現的代表性體積元進行模擬求解。本文中顆粒堆積方式及復合材料微觀實體模型如圖 2.2 所示。圖 2.2(a)展示了代表性體積元中顆粒的堆積方式，圖 2.1(b)即本文使用的微觀尺度顆粒填充復合材料實體模型。
圖 2.3 復合材料有限元模型網格劃分結果擬中接觸對的建立與實常數的設定料的重要組成部分，它對材料的綜合性能有界面對復合材料作用。但是，由于界面的特寸存在數千倍的差異，若對界面層進行建模會發(fā)生數量級的變化，最終可導致實體模形本文在模擬界面對復合材料宏觀熱傳導性能問題。通過設定接觸單元實常數的方法來描流的散射、阻擋作用。利用 ANSYS 有限元接觸對如圖 2.4 所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]壓力燒結銅-石墨復合材料的相對密度及性能研究[J]. 葉雨順,左孝青,楊牧南,周蕓,陸建生. 功能材料. 2014(19)
[2]界面設計對Sip/Al復合材料組織和性能的影響[J]. 劉猛,白書欣,李順,趙恂,熊德贛. 材料工程. 2014(08)
[3]熱壓燒結制備石墨/銅復合材料的熱性能研究[J]. 許堯,薛鵬舉,魏青松,史玉升. 熱加工工藝. 2013(12)
[4]純鋁與石墨、SiC和Al2O3的潤濕性（英文）[J]. 包薩日娜,唐愷,Anne KVITHYLD,Thorvald ENGH,Merete TANGSTAD. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(08)
[5]Selective interfacial bonding and thermal conductivity of diamond/Cu-alloy composites prepared by HPHT technique[J]. Hui Chen1), Cheng-chang Jia1), Shang-jie Li2), Xian Jia1), and Xia Yang1) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, China 2) Shenzhen Haimingrun Industrial Co. Ltd., Shenzhen 518126, China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(04)
[6]Effects of boron on the microstructure and thermal properties of Cu/diamond composites prepared by pressure infiltration[J]. Ye-ming Fan1),Hong Guo1),Jun Xu1),Ke Chu1),Xue-xin Zhu1),and Cheng-chang Jia2)1) Non-Ferrous Metal Processing Division,General Research Institute for Non-ferrous Metals,Beijing 100088,China 2) Institute of Powder Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2011(04)
[7]Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J]. Xuan-hui QU,Lin ZHANG,Mao WU,Shu-bin REN State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, Beijing Key Laboratory for Powder Metallurgy and Particulate Materials, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(03)
[8]電子封裝陶瓷基片材料的研究進展[J]. 李婷婷,彭超群,王日初,王小鋒,劉兵. 中國有色金屬學報. 2010(07)
[9]電子封裝技術的研究進展[J]. 何鵬,林鐵松,杭春進. 焊接. 2010 (01)
[10]顆粒增強鋁基復合材料研究與應用進展[J]. 蔣宇梅,顏金華. 中國科技信息. 2009(20)
本文編號：2952672
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