【经验】用JMP-Pro模拟Cu-AgCF复合材料的热性能

时间： 2023-02-01 来源：德国林赛斯热分析公众号

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MMCs,电力电子封装材料,AlSiCp金属基复合材料,Cu-CF金属基复合材料

对散热和热应力的要求已成为电力电子封装材料的关键设计挑战。这些由国际半导体技术路线图（ITRS）设定的复杂设计要求转化为一系列材料要求，而铜和铝等现有热封装材料无法满足这些要求。因此，开发了新型金属基复合材料（MMCs），如铝-碳化硅颗粒（AlSiCp）MMCs和铜-碳纤维（Cu-CF）MMCs。当需要优良的导热性时，AlSiCp金属基复合材料的潜力是有限的，特别是在工作环境极其恶劣的汽车行业。与AlSiCp金属基复合材料相比，Cu-CF金属基复合材料具有更好的导热性和导电性。这些Cu-CF金属基复合材料可以通过使用粉末冶金和渗透技术以及后处理操作（如热压和锻造）来制造。

成果介绍

为了满足电力电子封装材料半导体国际技术路线图（ITRS）的关键设计要求，开发了新型铜基增强镀银碳纤维（Cu-Ag/CF）复合材料。采用传统的粉末冶金方法制备了复合材料。采用化学镀工艺在碳纤维上镀上银和铜层。JMP Pro软件用于设计实验，以确定复合材料的热膨胀系数（CTE）和导热系数（TC）。使用标准最小二乘模型的全因子设计来构建线性模型，以估计每个评估因子及其相互作用的影响程度。通过方差分析（ANOVA）检查模型的充分性。通过检验残差（误差）分布，验证了恒定方差假设。采用LINSEIS L75PT水平膨胀仪，以2.5℃/min的升温速率，从室温到450℃测量了复合材料的热膨胀系数。根据分析报告，复合材料的热性能受银含量（重量百分比Ag）和碳纤维体积百分比（体积百分比CF）的显著影响。在复合材料中加入最高水平的重量百分比Ag和体积百分比CF将产生最理想的CTE值。然而，热导率剖面仪的预测结果却显示出相反的趋势。当这两个因素都处于较低水平时，达到了理想的导热系数。在热导率曲线中还观察到两个因素之间的显著交互作用。在低体积百分比CF下，当重量百分比Ag设置在其低水平时，热导率达到最大值。但在高体积百分比CF下，当重量百分比Ag设置在高水平时，热导率达到最大值。由于调查结果相互矛盾，因此根据CTE-TC权衡做出了一项决议。

图文导读

图1：通过预测图和方差分析结果得出实际值

图2：各因素及其相互作用的杠杆图

图3：（a）根据预测图，在残余物中形成喷嘴形状图案（b）异方差的存在通过残差与直线的稳定偏离得到证实

图4：去除因素之间不重要的相互作用并将CTE值转换为平方（CTE）后模型的适用性

图5：（a）通过预测图残差中数据的随机散射，证实了恒定方差假设。（b）残差的分布似乎接近正态线

图6：Cu-Ag/CF复合材料导热系数的模型拟合

图7：（a）残差的正态分布和（b）预测图的残差表明不违反常方差假设

图8：Cu-Ag/CF复合材料热膨胀系数和导热系数的预测剖面图

图9：Cu-Ag/CF复合材料导热系数的相互作用图

图10：Cu-Ag/CF复合材料（a）横截面和（b）平行截面的光学显微照片

结论

实验结果表明，Cu-Ag/CF复合材料是一种很有前途的电力电子封装材料。碳纤维的加入有助于提高复合材料的热膨胀系数，降低复合材料的密度。在铜基体和碳纤维增强体之间存在银界面，可产生良好的导热性和热膨胀系数。使用JMP Pro软件清楚地记录了Cu-Ag/CF复合材料的导热系数和CTE曲线。由于热导率随着热膨胀系数的增加而降低，因此必须进行权衡，以优化复合材料的热性能和热机械性能。

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