熱衝擊

熱衝擊是指由於急劇加熱或冷卻，使物體在較短的時間內產生大量的熱交換，溫度發生劇烈的變化時，該物體就要產生衝擊熱應力，這種現象稱為熱衝擊。金屬材料受到急劇的加熱和冷卻時，其內部將產生很大的溫差，從而引起很大的衝擊熱應力，這種現象稱為熱衝擊。一次大的熱衝擊，產生的熱應力能超過材料的屈服極限，而導致金屬部件的損壞。

基本介紹

• 中文名：熱衝擊
• 外文名：Thermal shock
• 特點：急劇加熱或冷卻
• 屬性：鋼鐵加工
• 用途：重工業
• 學科：冶金工程

簡介

在過去的幾十年里，微電子集成技術的迅速發展導致微電子器件的集成度和運行速度的顯著增加，在可預見的未來也將繼續發展下去。隨著電子設備的功率密度的不斷增長，設備功耗也越來越大，這必然會導致元器件核心部件的發熱量大大增加。晶片的發熱問題直接關係到微電子器件的可靠性，在半導體器件中，溫度每升高18 ℃，失效的可能性就增加2 ～ 3 倍，而先進熱管理材料的發展，正是解決這一問題的有效途徑之一。先進熱管理材料需要具備有高熱導率，同時為了保證組件焊接的可靠性，應最大限度的減小熱應力，因此熱管理材料還需要具有半導體材料相匹配的熱膨脹係數。

金剛石/銅複合材料作為最新一代的熱管理材料，由高熱導率、低膨脹的金剛石和導熱性能良好的銅製成的互不固溶且能發揮各個組元特性的複合材料，在熱管理和電子封裝領域潛力巨大。早在1995 年，美國Sun Microsystems 公司與LawrenceLivermore 國家實驗室聯合開發了金剛石/銅複合材料，稱之為Dymalloy。在隨後的十多年裡，學者們的主要研究重點是在製備方法，如Yoshida Katsuhito等利用高溫高壓，Schubert 等選用脈衝放電等離子燒結，Hanada 等則用粉末冶金的方法製備，都成功獲得了不同性能的金剛石/銅複合材料。張習敏等主要研究了界面結合狀態對材料的熱導率影響。韓媛媛等則通過在金剛石中部分摻雜SiC 顆粒，對微觀結構和性能的變化進行了探討。隨著金剛石/銅複合材料逐步開始套用到實際當中，對金剛石/銅複合材料自身的熱學穩定性提出了更高的要求。

金剛石/銅複合材料製備過程中存在著殘餘應力，使用過程中，工作溫度會不斷變化，在加熱和冷卻過程中，由於二者的熱膨脹係數存在較大的差距( 銅合金16 × 10-6 K-1 ; 金剛石1.35 × 10- 6K-1 ) ，從而材料自由膨脹或收縮受到約束，內部會產生熱應力。熱應力隨溫度的反覆變化，可能會引起材料性能不斷下降，最終將導致熱疲勞失效。

Parry 等在研究中發現，當元器件處於靜態溫度環境中的時候，並不容易造成元器件的損害，當環境中溫度出現變化時，材料可能發生熱疲勞損耗，器件的損壞幾率才會增加，而這與溫度循環振幅、溫度梯度、材料匹配度息息相關。採用壓力浸滲和超高壓的兩種製備方法製備金剛石/銅複合材料，選用了空氣介質法和液體介質法，通過熱導率和熱膨脹係數兩個重要的熱學性能指標，來評價材料的抗高低溫極值交替衝擊的能力，為其進一步研究和套用提供科學依據。

金剛石/銅複合材料微觀形貌

由於製備方法與合金成分的不同，3 種複合材料的斷口也展現了不同的形貌。由於金剛石與銅間潤濕性差且不反應，Dia /Cu 中的金剛石表面比較乾淨，與基體間存在著一定的縫隙，結合的並不好。大部分金剛石整顆從銅基體中剝離，依然保持原有完整的晶形，表明金剛石與基體的結合力小於金剛石自身的強度，界面為整個材料的薄弱環節，受力時首先從界面處斷開。

而在Cu 基體中添加容易與金剛石反應的Cr，則可以使得界面結合強度得到明顯的改善。

在高溫與壓力的作用下，Cr 與金剛石發生化學反應，形成冶金結合， Dia /CuCr 的基體中可以看到與金剛石反應後留下的網狀花樣。

由於冶金結合使得界面強度提高，界面結合強度大於金剛石自身強度時，部分金剛石在脆斷過程中則被拉斷，而斷開的金剛石依然與基體保持緊密的結合。在不添加Cr 的情況下，利用超高壓的製備方法，使界面進行機械結合來改善界面強度。

在4 ～ 6 GPa 的壓力作用下，EHVDia/Cu 中的金剛石與基體間結合緊密，金剛石顆粒之間也發生了部分的界面聚晶反應，大部分金剛石發生了斷裂，斷口平整，表明界面結合強度得到了很大的提高。

熱衝擊對金剛石/銅複合材料熱導率的影響

熱導率是熱管理材料的關鍵性能參數。在溫度變化的環境下，由於金剛石與銅熱膨脹係數相差很大，溫度上升時基體受壓應力，而金剛石則表現為拉應力，溫度下降時則剛好相反。在使用過程中，界面處是應力變化最集中處，而界面又正是複合材料的薄弱環節，能否保持界面結合良好，是否影響到材料的熱導率，直接關係到整個器件的可靠性。

用3 組金剛石/銅複合材料在兩種熱衝擊條件循環前後做熱導率對比。由於界面結合較差，Dia /Cu 的初始值僅有459． 1 W·m- 1·K- 1，而界面更好的Dia /CuCr 熱導率則達到了529． 7 W·m-1·K-1，超高壓製備的EHV-Dia /Cu 更是高達678． 2 W·m- 1·K-1。

在空氣介質-65 ～ 125 ℃的條件下，衝擊循環100周次過後，在-65 ～ 125 ℃ 液體介質中衝擊循環100 周次後，3 組材料的熱導率變化都不大，Dia /Cu 下降2.35%，Dia /CuCr 基本保持不變，EHVDia/Cu 下降1.14%。

在-196 ～ 85 ℃的條件下，冷卻介質由氣體改為液體，衝擊循環100 周次過後，Dia /Cu 熱導率急劇下降34.29%，降至301. 7 W·m - 1·K -1。在極限溫度幅度更大，溫度變化速率更快的溫度衝擊下，界面處由於熱膨脹失配引起更大的熱應力。由於Dia /Cu 在界面結合強度不高，界面間存在縫隙的情況下，界面結合力小於熱應力，從而使材料失效。通過添加Cr，與金剛石發生化學反應，改善界面強度後，材料的熱導率有了明顯的提升。Dia /CuCr 的抗熱衝擊能力得到了顯著的加強，-196 ～85 ℃的條件100 周次過後，熱導率保持在513.6W·m-1·K -1僅下降了3. 04%。在超高壓條件下，不僅使金剛石與基體結合緊密，EHV-Dia /Cu 在小範圍內發生聚晶反應，部分金剛石與金剛石之間相互連線，增強體連通使得抗熱衝擊能力進一步增強。在苛刻的-196 ～ 85 ℃的條件下，表現出了良好的穩定性，熱導率變化僅為2.36%。

熱衝擊對金剛石熱膨脹係數的影響

熱管理材料的另一項重要指標是熱膨脹係數，通過調節增強體的體積分數，可以滿足不同的需要，與其他材料相匹配。本實驗選用的是壓力浸滲方法製備的體積分數為60%的金剛石/銅複合材料，經受兩種條件下100 周次熱衝擊考核。Dia /Cu 的初始值要明顯大於Dia /CuCr，這是由於Dia /Cu 的界面結合不好，金剛石與基體間存在著縫隙，使得低膨脹係數的金剛石對高膨脹係數的基體約束力下降。針對界面結合強度較好的材料進行預循環處理，有利於材料的熱膨脹係數更加穩定。

總結

1． 加強金剛石/銅複合材料的界面結合強度，有利於獲得高熱導率，低熱膨脹係數的材料。

2．-55 ～ 125 ℃ 的熱衝擊條件下，Dia /Cu，Dia /CuCr，EHV-Dia /Cu 的熱導率保持良好的穩定性，變化在2． 5%以內。

3．-196 ～ 85 ℃的熱衝擊條件下，Dia /Cu 由於界面結合力弱，在熱應力的作用下熱導率急劇下降; 通過添加Cr 元素的Dia /CuCr 和使用超高壓製備的EHV-Dia /Cu，材料的界面都得到了明顯的改善，循環後熱導率下降3% 左右，體現了良好的抗熱衝擊能力。