根據(jù)復(fù)合材料的影響因素，選擇好了基體材料與金剛石顆粒增強(qiáng)相后，界面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是決定復(fù)合材料是否獲得優(yōu)良熱性能的關(guān)鍵因素。

金剛石與銅不潤(rùn)濕、不反應(yīng)，直接復(fù)合難以實(shí)現(xiàn)兩者良好的界面結(jié)合，除了高溫高壓法外，金剛石與金屬基體直接復(fù)合表現(xiàn)出的互不潤(rùn)濕，界面結(jié)合差等問(wèn)題嚴(yán)重影響了金剛石/銅復(fù)合的實(shí)際導(dǎo)熱性能表現(xiàn)，因此需要對(duì)復(fù)合材料界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文一起來(lái)探討一下，目前金剛石/銅復(fù)合材料的界面結(jié)合技術(shù)。

微金屬注射成型(μMIM)生產(chǎn)的銅和金剛石復(fù)合材料

用于超級(jí)計(jì)算機(jī)散熱器熱沉

除了兩者浸潤(rùn)能力差外，金剛石（2.3×10^-6/K）與銅（16.5×10^-6/K）熱膨脹系數(shù)的巨大差異會(huì)在復(fù)合材料界面處引入熱應(yīng)力，該應(yīng)力在冷卻過(guò)程中表現(xiàn)為拉應(yīng)力，若界面結(jié)合強(qiáng)度不足，將會(huì)增加復(fù)合材料制備和服役過(guò)程中發(fā)生界面脫粘的風(fēng)險(xiǎn)，直接威脅復(fù)合材料的性能可靠性。

為獲得致密度高、性能穩(wěn)定可靠的金剛石/銅基復(fù)合材料，必須進(jìn)行有效的界面改性。最簡(jiǎn)單直接的辦法就是在復(fù)合材料界面處介入一些易碳化元素作為緩沖層，如常見(jiàn)的Cr、Mo、W、Si、B、Ti、Zr等。目前主要采用基體合金化、金剛石表面金屬化及一些特殊手段等來(lái)解決復(fù)合材料界面問(wèn)題，以減少界面缺陷。

尺寸為100-110μm的典型金剛石顆粒的SEM顯微照片

一、金剛石表面金屬化

金剛石顆粒表面金屬化是指采用物理法或化學(xué)法的處理方式在金剛石顆粒表面形成均勻的金屬或金屬碳化物層，從而使金剛石顆粒表面具有金屬或類金屬的性能。經(jīng)表面金屬化處理的金剛石顆粒在其復(fù)合材料的制備過(guò)程中可以將銅基體對(duì)金剛石的直接接觸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)金屬或金屬碳化物層的接觸，從而實(shí)現(xiàn)界面的緊密結(jié)合狀態(tài)，提高其復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。金剛石表面金屬化的主要方法有物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、真空微蒸發(fā)鍍、化學(xué)鍍法、鹽浴鍍法、粉末覆蓋燒結(jié)法等。

金剛石表面金屬化的常見(jiàn)方法

二、銅基體合金化

銅基體合金化是指在金屬銅基體中添加微量的Ti、Cr、W、Mo、Zr等強(qiáng)碳化物形成元素，此類元素可以在金剛石/銅復(fù)合材料的制備過(guò)程中向金剛石表面聚集并與其表層的碳原子反應(yīng)生成對(duì)應(yīng)的金屬碳化物層，在界面生成的碳化物層可以有效改善兩相界面的結(jié)合狀態(tài)，提高該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

在對(duì)銅進(jìn)行基體合金化的同時(shí)，要特別注意碳化物元素的添加量，基體銅殘留的元素過(guò)多時(shí)會(huì)極大程度降低銅基體的本征熱導(dǎo)率，進(jìn)而導(dǎo)致金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率急劇下降。

三、增加金剛石與基體接觸面積

當(dāng)金剛石粒度相同時(shí)，晶型越完整，其比表面積就越小。破碎料金剛石晶面較不穩(wěn)定，為多層臺(tái)階結(jié)構(gòu)，這種晶面結(jié)構(gòu)更易與基體發(fā)生反應(yīng)，制備的復(fù)合材料結(jié)合度更強(qiáng)。

張習(xí)敏等使用冷沖擊100μm破碎料金剛石制備復(fù)合材料，通過(guò)與100μm六八面體單晶金剛石進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為品級(jí)較差的破碎料依然可以制備出高性能金剛石/銅復(fù)合材料（詳見(jiàn)：張習(xí)敏，郭宏，尹法章，等.金剛石/銅復(fù)合材料界面結(jié)合狀態(tài)的改善方法[J].稀有金屬，2013，37(2):335）。金剛石表面形態(tài)能夠影響金剛石與銅基表面接觸面積進(jìn)而影響金剛石與銅基界面結(jié)合度。通過(guò)酸洗或刻蝕使金剛石表面粗化，也可以增加金剛石與基體接觸面積，進(jìn)而增大界面結(jié)合度。

粗化滴金剛石粉體

小結(jié)

在電子器件熱管理中，除合理的散熱結(jié)構(gòu)及散熱方式外，熱管理材料的選用同樣扮演著重要的角色，理想的熱管理材料應(yīng)具有較高的熱導(dǎo)率、與半導(dǎo)體材料（如Si、GaAs等）相匹配的熱膨脹系數(shù)，傳統(tǒng)的熱管理材料如Al、Cu等純金屬、Kovar、W-Cu、Mo-Cu、Al-Si等合金及Al₂O₃、AlN、BeO等陶瓷材料，無(wú)法同時(shí)兼顧高導(dǎo)熱和低膨脹的要求，難以滿足當(dāng)前電子封裝對(duì)結(jié)構(gòu)功能一體化、更小封裝尺寸、高效散熱及綠色環(huán)保的發(fā)展要求，成為電子技術(shù)快速發(fā)展的瓶頸之一。

金剛石/銅復(fù)合材料（表面鍍銅）及其斷面

因此，開發(fā)兼?zhèn)涓邔?dǎo)熱、熱膨脹可調(diào)的新型熱管理材料勢(shì)在必行，尤其是在以高功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、微波、電磁、光電等器件為典型應(yīng)用的高科技技術(shù)領(lǐng)域和以相控陣?yán)走_(dá)、高能固體激光器等為典型應(yīng)用的國(guó)防技術(shù)領(lǐng)域需求十分迫切。金剛石/銅基復(fù)合材料由于其耐熱、耐蝕、高導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)已成為封裝材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。得于制備技術(shù)的不斷深入研究，目前高導(dǎo)熱的金剛石/Cu金屬基復(fù)合材料熱導(dǎo)率已達(dá)700W/(m·K)以上。除了解決材料復(fù)合的熱導(dǎo)率問(wèn)題，金剛石/銅復(fù)合材料的硬度極高，常規(guī)的機(jī)械加工比較困難，其進(jìn)一步加工技術(shù)手段也需要深入研究。鑒于重重難題，目前這個(gè)材料還是存在量產(chǎn)的困難滴，當(dāng)然如果有應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，相信難題就會(huì)被各界高手攻破。

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粉體圈編輯：Alpha

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