高导热电封装复合材料界面热传导的扫 描热显微镜分析.pdf

维普资讯 第 如 卷 第 3期 电 子 显 微 学 报 VI】I一20．No 3 2OO】年 6月 JournalofChineseElectronM icroscopySociety 200l一6 文 章编 号 ：1000-6281(2001)03—0238一o6 高导热 电封装复合材料界面热传导的 扫描热显微镜分析 吉 元 ，钟 涛兴 ，高晓霞 ，毋 立芳 (北京I业大学材料学院，北京 100O22) 陈皓 明，王秀风 ，韩 立 ，谢 志刚 (清华 大学物理 系，北 京 100084) 摘 要 ：本文利用扫描 热显微兢 (SI’hM)，H微米级的空间分辨卓 剥量 了SiC／Cu和 SiCIAI电封装复夸 材料增强相一基体 的界面特征和界 面导热性能 STnM热 图显 示 出辑料平 面导热性能 的差异 ．对形 貌 数据和 热数据进 行皇屯计 分析和转换 ，璃 定 了复合材料 的界 面宽度和界 面导热率 关键词 ：扫描热显微镜 [SThM)界面热传导 ；复夸材料 ；电封装 中图分 类 号 ：TNI6；TB331 文 献标 识 码 ：A 扫描热显微镜 (SThM)是 2()世纪 8O年代 中期在扫描隧道显微镜 (STM)和原子力显微镜 (AFM)的基础上发展起来 的一种表而分析仪器 ，它可 以亚微米级 的空间分辨率 (500rim)，显示 样 品表面的热性能，包括样 品表面的温度分布和热传导分布 图 。近年来这项新技术 已在新型 电子材料 的亚微米特 征尺 寸和量 子井结构 集成 电路 ，薄膜及生物 材料等学科领域 显示 出 良好的 应用前 景 ’。 金属基复合材料具有高导热和低膨胀等优 良特性 ，可作为微 电子器件 电封装 的新一代材 料 。然而 由于复合材料 的基体和增强相在物理和化学性能上存在 明显差异 ，导致在基体和增 强相 的界面产生界面热阻，从而影响复合材料 的导热性能。因此探讨复合材料界面特征及界面 导热性能就成为十分必要和令人感兴趣 问题 。 本文将 SThM技术用于 SiC／Cu和 SIC／A1两类 电封装复台材料界面局域热性能的研究 。在获 得材料表面形貌和热信息的基础上 ，分析 了界面导热性能的变化 ，半定量计算 了 SiC颗粒增强相 与金属基体界面 的导热率 SThM工作原理及测试条件 SThM采用特殊 的热探针代替 STM或 AFM的普通针尖在样 品表面扫描成像 。探针和样 品的 相互作用是基于探针与样 品表面间的热传导。SThM扫描热探针有热阻和热敏 电阻两种结构。 图 1为热敏 电阻式 SThM扫描针尖示意图 ：在标 准 的 sNd探 针尖端处用镀膜方法制备两个 独立 电极 (图中未显示 出来)，然后用热敏材料 (ThermisIor)在针尖尖端将两个 电极连起来 ，构成一 个微 型热敏 电阻 。该微型热敏 电阻通过 电极接 ^惠斯登桥 电路 。当热敏 电阻温度 改变 时 ，由于 阻值变化使电桥输 出端 电压相应改变 。在本项研究中采用 DigitalInstruments公 司的扫描热显微 镜 。探针背面受到测量用 的激光束照射 ，针尖温度一般保持在约 60~C，使样 品温度低 于针尖温 度 。在扫描过程 中，热量 由针尖流 向样 品，这样针尖温度取决于被测 区域 的热导率 。因此所测到 收藕 日期 ：2000．O815；修订 日期 ：200o-12．邮 基金项 目：国家 自然科 学摹金和北京市自然科学基金 赞助项 目 维普资讯 第 3期 吉 元等 ：高导热 电封装复合材料界 面热传 导的扫描热 显微镜分析 239 的热图是样 品表面 的热传导分布图。 在 SThM实验 中采用 的热探针仪