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金刚石/铜高导热复合材料界面问题解决方法
日期:2022-01-07    浏览次数:
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根据复合材料的影响因素,选择好了基体材料与金刚石颗粒增强相后,界面的设计与优化是决定复合材料是否获得优良热性能的关键因素。

金刚石与铜不润湿、不反应,直接复合难以实现两者良好的界面结合,除了高温高压法外,金刚石与金属基体直接复合表现出的互不润湿,界面结合差等问题严重影响了金刚石/铜复合的实际导热性能表现,因此需要对复合材料界面进行设计。本文一起来探讨一下,目前金刚石/铜复合材料的界面结合技术。

金刚石/铜高导热复合材料界面问题解决方法

微金属注射成型(μMIM)生产的铜和金刚石复合材料

用于超级计算机散热器热沉

除了两者浸润能力差外,金刚石(2.3×10-6/K)与铜(16.5×10-6/K)热膨胀系数的巨大差异会在复合材料界面处引入热应力,该应力在冷却过程中表现为拉应力,若界面结合强度不足,将会增加复合材料制备和服役过程中发生界面脱粘的风险,直接威胁复合材料的性能可靠性。

为获得致密度高、性能稳定可靠的金刚石/铜基复合材料,必须进行有效的界面改性。最简单直接的办法就是在复合材料界面处介入一些易碳化元素作为缓冲层,如常见的Cr、Mo、W、Si、B、Ti、Zr等。目前主要采用基体合金化、金刚石表面金属化及一些特殊手段等来解决复合材料界面问题,以减少界面缺陷。

金刚石/铜高导热复合材料界面问题解决方法

尺寸为100-110μm的典型金刚石颗粒的SEM显微照片

一、金刚石表面金属化

金刚石颗粒表面金属化是指采用物理法或化学法的处理方式在金刚石颗粒表面形成均匀的金属或金属碳化物层,从而使金刚石颗粒表面具有金属或类金属的性能。经表面金属化处理的金刚石颗粒在其复合材料的制备过程中可以将铜基体对金刚石的直接接触转变为对金属或金属碳化物层的接触,从而实现界面的紧密结合状态,提高其复合材料的热导率。金刚石表面金属化的主要方法有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、真空微蒸发镀、化学镀法、盐浴镀法、粉末覆盖烧结法等。

金刚石表面金属化的常见方法

金刚石/铜高导热复合材料界面问题解决方法

二、铜基体合金化

铜基体合金化是指在金属铜基体中添加微量的Ti、Cr、W、Mo、Zr等强碳化物形成元素,此类元素可以在金刚石/铜复合材料的制备过程中向金刚石表面聚集并与其表层的碳原子反应生成对应的金属碳化物层,在界面生成的碳化物层可以有效改善两相界面的结合状态,提高该复合材料的热导率。

在对铜进行基体合金化的同时,要特别注意碳化物元素的添加量,基体铜残留的元素过多时会极大程度降低铜基体的本征热导率,进而导致金刚石/铜复合材料的热导率急剧下降。

三、增加金刚石与基体接触面积

当金刚石粒度相同时,晶型越完整,其比表面积就越小。破碎料金刚石晶面较不稳定,为多层台阶结构,这种晶面结构更易与基体发生反应,制备的复合材料结合度更强。

张习敏等使用冷冲击100μm破碎料金刚石制备复合材料,通过与100μm六八面体单晶金刚石进行对比,认为品级较差的破碎料依然可以制备出高性能金刚石/铜复合材料(详见:张习敏,郭宏,尹法章,等.金刚石/铜复合材料界面结合状态的改善方法[J].稀有金属,2013,37(2):335)。金刚石表面形态能够影响金刚石与铜基表面接触面积进而影响金刚石与铜基界面结合度。通过酸洗或刻蚀使金刚石表面粗化,也可以增加金刚石与基体接触面积,进而增大界面结合度。

金刚石/铜高导热复合材料界面问题解决方法

粗化滴金刚石粉体


小结

在电子器件热管理中,除合理的散热结构及散热方式外,热管理材料的选用同样扮演着重要的角色,理想的热管理材料应具有较高的热导率、与半导体材料(如Si、GaAs等)相匹配的热膨胀系数,传统的热管理材料Al、Cu等纯金属、Kovar、W-Cu、Mo-Cu、Al-Si等合金及Al2O3AlN、BeO等陶瓷材料,无法同时兼顾高导热和低膨胀的要求,难以满足当前电子封装对结构功能一体化、更小封装尺寸、高效散热及绿色环保的发展要求,成为电子技术快速发展的瓶颈之一。

金刚石/铜高导热复合材料界面问题解决方法 

金刚石/铜复合材料(表面镀铜)及其断面

因此,开发兼备更高导热、热膨胀可调的新型热管理材料势在必行,尤其是在以高功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、微波、电磁、光电等器件为典型应用的高科技技术领域和以相控阵雷达、高能固体激光器等为典型应用的国防技术领域需求十分迫切。金刚石/铜基复合材料由于其耐热、耐蚀、高导热、热膨胀系数可调等优势已成为封装材料领域的研究热点。得于制备技术的不断深入研究,目前高导热的金刚石/Cu金属基复合材料热导率已达700W/(m·K)以上。除了解决材料复合的热导率问题,金刚石/铜复合材料的硬度极高,常规的机械加工比较困难,其进一步加工技术手段也需要深入研究。鉴于重重难题,目前这个材料还是存在量产的困难滴,当然如果有应用驱动,相信难题就会被各界高手攻破。

 

拓展阅读:

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粉体圈编辑:Alpha

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