隨著電子器件的功率和集成度越來越高，電子封裝對散熱材料的要求也在不斷提升，研制新型電子封裝材料成為提升電子器件功率水平的一大關鍵點。金剛石/銅復合材料（DCC）因具有熱導率高、熱膨脹系數可調等優勢成為當前的研究熱點。接下來，小編就將為大家介紹金剛石/銅復合材料。

（圖源：有研工研院）

金剛石/銅復合材料

金剛石/銅復合材料（DCC）是由銅基體和金剛石增強相兩個要素構成的。

（1）銅基體

銅有很多種類，包括純銅、黃銅、青銅、白銅。銅基復合材料大多為電導率和熱導率都非常高的純銅，其中存在0.1-0.5%的微量元素，這些微量元素對純銅的性能有很大的影響。熱導率是選擇金屬基體首先應該考慮的因素。銅具有高熱導率（400W/m·K）、良好的熱膨脹系數（17.7×10^-6/℃）、優異的耐腐蝕性以及加工性能。相較鋁、銀等元素，銅展現出更多的優勢，可以有效滿足當前電子設備對高熱導率、低膨脹系數等綜合性能的使用要求。

（2）金剛石增強相

金剛石顆粒相較硅、碳化硅增強相具有高導熱、高硬度、高強度、低熱膨脹系數、耐磨性、強透光性等優異性能。金剛石屬于非金屬材料，是碳的同素異構體之一。其晶體屬于面心立方結構，單個晶胞中含有8個碳原子，每個碳原子與其他四個碳原子通過共價鍵相連接，形成了一個極其堅硬、穩定的晶體結構。金剛石緊密的結構使其具有較低的界面能，在常溫常壓下具有很高的化學惰性，不易與其他元素發生化學反應，難以被大多數金屬或合金潤濕。因此，如何解決金剛石顆粒難以潤濕的問題成為研究的焦點。

金剛石/銅復合材料界面熱阻示意圖（圖源：文獻2）

熱傳導機理

金剛石/銅復合材料的導熱機理與金屬及陶瓷有非常大的區別，并不是完全依靠自由移動的電子或聲子來完成熱量傳遞。銅基體內部存在大量可移動的電子，其傳熱方式主要是通過自由電子移動、相互作用及碰撞來實現的。金剛石增強相的熱傳導主要是由聲子完成的，因其規則的晶體結構和強共價鍵，剛性晶格具有較高的振動頻率，可以更有效的進行聲子傳遞。銅與金剛石之間的界面傳導是影響復合材料整體熱導率的關鍵，其性能取決于界面結合強度、界面態密度以及界面缺陷等因素。為了提升界面結合，降低界面熱阻，常用金剛石表面金屬化和銅基體合金化兩種方式來解決金剛石/銅復合材料界面問題。

（1）金剛石表面金屬化：金剛石表面金屬化就是預先在金剛石顆粒表面鍍覆活性元素，如Ti、W、Mo等。在燒結過程中形成的碳化物與銅有著較好的潤濕性，同時又可以與金剛石表面有較好的化學鍵結合。在后續高溫燒結過程中，鍍層還可以對金剛石起到一定的保護作用，減少金剛石的損傷。一般常用的金剛石表面金屬化方法有化學鍍膜、磁控濺射法鍍膜、鹽浴鍍膜、真空微蒸發鍍膜等。

碳化物鍍層與銅的潤濕角（圖源：文獻2）

（2）銅基體合金化：銅基體合金化是在銅基體中摻雜各種活性元素，如Ti、B、Zr。通過這一方法可以有效降低金剛石與銅的濕潤角，同時金剛石/銅界面會生成碳化物層，修飾填充了界面之中的一些縫隙，提高了復合材料的導熱性能。銅基體合金化后，復合材料的主要制備方法為熔滲法，制得的復合材料熱導率普遍較高，最高可達930W/m·K。

不同碳化物形成元素與銅的溶解度（圖源：文獻2）

影響復合材料導熱性能的因素

1、金剛石成分及結構

金剛石自身的純度及缺陷對熱導率有一定的影響，使用的金剛石品級越高，粉體所含缺陷和雜質越少，則后續制備所得的復合材料熱導率越好。除此之外，大量的研究表明，當粒徑及含量在一定范圍時，復合材料的熱導率會達到最佳。在低填充的情況下，金剛石顆粒雖然能在銅基體中均勻分散，但顆粒數目較少，顆粒之間距離大，每個金剛石都被銅基體包裹，顆粒之間沒有相互接觸和作用，使得金剛石的高導熱性能無法在傳熱過程中發揮作用。當金剛石數量開始增多，顆粒之間開始接觸甚至相互作用，在銅基體中會形成一個有效的導熱通道，使熱量能夠快速傳輸，熱導率隨之增加。當顆粒較小時，形成的界面數目較多，熱阻大，使導熱性能差。但當在相同體積分數下，使用大顆粒就會有所不同，大顆粒的界面數目少，界面熱阻小，熱導率就會相應的增加。在實驗中，金剛石含量和粒徑的增加均會使孔隙率增高，復合材料的導熱率會在某個范圍達到最高。金剛石的熱導率會隨著金剛石體積分數的增大，呈快速上升而后下降的規律。金剛石顆粒數量的增多，會引入更多的界面，使銅不能充分的填充到顆粒之間形成的孔隙中，從而造成閉孔的產生，孔隙增多，造成熱導率的下降。與此同時，高填充下的金剛石受損情況會比較嚴重，使得界面熱阻增加，熱導率下降。

2、制備工藝

在金剛石和銅基及其他摻雜成分確定的條件下，不同的制備工藝對材料的熱導性能的影響較大。Ciupinski等采用SPS法將金剛石及銅鉻合金進行燒結制備得到金剛石/Cu復合材料。研究發現，燒結5min的情況下，燒結溫度升高，材料熱導率得到提升；當燒結時間擴大到兩至三倍時，材料熱導率隨著燒結溫度的升高呈先增大后減小的趨勢。如燒結溫度過低或燒結時間過短，會導致材料致密度較低、材料內部孔隙較多，從而制備所得的材料熱導率較低；燒結溫度過高和燒結時間過長，都會導致碳化物層明顯加厚，致使界面間的熱量傳導受阻。

金剛石體積分數與粒度對復合材料熱導率的影響（圖源：文獻4）

制備工藝

制備金剛石/銅復合材料的常用方法有：粉末冶金法、高溫高壓法、熔體浸滲法、放電等離子燒結法。

1、粉末冶金法：粉末冶金法是一種較為成熟的燒結工藝。它是將金剛石顆粒與銅基粉末按照預備的含量均勻混合，混合的過程中可以摻雜一定含量的粘合劑和成形劑，后將混合粉體及摻雜劑壓制成型，通過燒結最終得到成品的方法。粉末冶金法工藝簡單，成本較低，但制得的粉體致密度不高、內部組織不均，樣品尺寸有限、形狀簡單，難以直接制得性能優異的熱導材料。

2、熔體浸滲法：熔體浸滲法包括無壓浸滲法和壓力浸滲法。它是將加熱到熔融態的金屬基體浸滲到熔點更高的增強相的間隙中，然后冷卻、凝固，制得復合材料的方法。這種方法可以讓金剛石顆粒和金屬基體的接觸更加充分，大幅提升了材料的致密度，可以制備出結構更加復雜、熱學性能優越的熱導材料。

（1）壓力浸滲法：是指在外加壓力的作用下將金屬熔體浸滲到增強相中，然后施加壓力使熔體凝固制得復合材料。壓力浸滲是一個較為復雜的過程，增強相預制件的制備、基體的熔煉、浸滲過程中氣體的流動以及基體的凝固對樣品的性能都有很大影響，采用該方法對石墨模具的設計、燒結參數的控制和燒結設備的選擇要求較高。同時，金剛石在常溫下是碳的亞穩態，在高溫環境下易發生石墨化轉變。因此，在保證界面結合的同時，有效降低反應溫度是制備具有優異性能金剛石/銅復合材料的關鍵。

（2）無壓浸滲法：是指熔融態金屬基體在無外界壓力作用的情況下，僅依靠毛血管力自發地向增強相預制坯的孔隙浸滲從而得到復合材料的方法。它要求金屬基體和增強相預制體顆粒具有良好的潤濕狀態，以保證基體滲入后，預制體形態保持良好、顆粒分布比較均勻，其加工所需的工藝設備簡單、生產成本較低。

氣壓浸滲法流程圖（圖源：文獻6）

3、放電等離子燒結法：放電等離子燒結法（SPS）是一項較為先進的快速燒結技術。它是將混合均勻的粉末裝入模具內，對模具直接施加特定的壓制壓力和脈沖電流，讓粉末顆粒之間產生放電，使粉末均勻、活化。對于導電的粉體材料，脈沖電流通過導電的石墨模具直接作用在粉體材料上，粉體材料產生巨大的焦耳熱，在短時間內即可完成燒結過程。整個燒結過程是顆粒放電、焦耳熱以及壓力共同作用的結果；對于不導電的粉體材料，所施加的脈沖電流會通過石墨模具產生極大的焦耳熱，這些焦耳熱通過石墨模具傳遞給粉體材料從而完成樣品的燒結。相較傳統的加熱方式，放電等離子燒結法能夠在短時間內實現粉體材料的致密化，可以有效避免晶粒的長大，達到細化晶粒的作用。綜合來說，放電等離子燒結法具有升溫速度快、燒結時間短、燒結壓力低、節能環保等優點，制得的復合材料晶粒組織均勻、致密，綜合性能更加穩定的特點。目前的主要研究難點在于對該燒結工藝和材料界面的成分控制不夠精準。

放電等離子燒結設備工作原理示意圖（圖源：文獻5）

小結

隨著金剛石/銅復合材料制備技術的不斷革新，目前制成的復合材料熱導率普遍達到600W/m·K以上，有的甚至可以達到900W/m·K以上。然而，當下困擾金剛石/銅復合材料的問題是如何控制制備成本。但作為具有廣泛應用前景的新一代電子封裝材料，研究金剛石/銅復合材料的制備與工業化對于當前電子信息技術的發展是具有重要意義的。

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