隨著通訊技術進入5G時代，集成電路也向著大規模、高集成、大功率方向不斷深入，以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料正在加速擴大市場，相應的導熱散熱技術勢必要跟進提升，金剛石金屬基復合材料被寄予厚望，產業化道路也走在前列，其中金剛石/鋁復合材料以其密度低、導熱率高、熱膨脹系數(CTE)可調等優點成為熱管理領域的熱門研發方向。

電子封裝中散熱材料不僅要具備高導熱性，其熱膨脹系數還需要與半導體相當，這樣才能保證可靠性和長壽命。比如銀、銅、鋁等金屬雖然導熱性好，卻與半導體材料的熱膨脹系數不匹配，器件運行中的熱應力會導致故障發生。金剛石不僅具有出色的導熱性，而且熱膨脹系數與碳化硅（GaN on SiC）接近，隨著GaN on Diamond路線的興起，這方面的優勢只會更加突出。本文主要以在2011年推出的首款用于GaN器件的鋁金剛石散熱器材料的Nano Materials International Corp（NMIC）公司產品為例，介紹金剛石/鋁復合材料（DAMMC）。

金剛石/鋁復合材料（DAMMC）及其顯微結構（來源：NMIC）

NMIC公司的DAMMC導熱系數大于500W/mK，比用于這些應用的任何其他材料高 80%，室溫下熱膨脹系數低至6ppm/K，與半導體材料兼容，3.17g/cc的低密度則有利于實現輕量化。這種采用鋁合金成分，滲入工業級金剛石微粉的復合材料必須優化金剛石微粉的粒徑分布和所占比例（粗細粉混合粉體的體積百分比通常為60%），從而保持其高導熱性、低熱膨脹系數（CTE）和高機械強度。

DAMMC制備工藝流程（來源：NMIC）

由于金剛石對金屬的潤濕性較差，復合材料的鋁-金剛石界面必須在金剛石和金屬基體之間提供機械穩定的結合才能保證熱導率。NMIC公司的方案是為金剛石微粉披上薄薄的碳化硅。對表面處理和未處理金剛石復合材料樣品進行500℃下1小時的10次循環測試，結果顯示這層碳化硅使金剛石微粉得以潤濕。

對比試驗結果

NMIC采用了擠壓鑄造滲透生產工藝，這是一種利用外部壓力，使液態或半液態金屬基體滲入具有增強相的預制件中，并凝固而獲得復合材料的方法。該工藝對基體合金的形狀、種類和成分沒有限制，可廣泛用于成分設計。由于復合材料在高壓下凝固，降低了對合金潤濕性的要求，鑄件組織缺陷也較少。結合NMIC的經驗，擠壓鑄造相比其他工藝提供更高壓力，這意味著更高的導熱系數，同時還能在數秒內實現DAMMC的固化，這極大減少了碳化硅與鋁合金反應形成碳化鋁的可能（碳化鋁在金剛石/鋁界面處產生高熱阻，并導致吸濕行為，導致導熱系數降低，成品在溫度或濕度循環過程中更容易降解），而其他工藝往往需要數分鐘之久。

左：水刀切割 右：激光切割

以上主體部分的制備之后，還有改善表面粗糙度減少空隙的界面預處理，NMIC采用厚度為0.05 mm至0.1 mm的鋁合金蒙皮（非涂層），使表面粗糙度控制在1μm Ra以下直至0.6μm左右，從而便于接下來的金屬化鎳、金處理（最初的金屬化層是化學鍍鎳，然后是電鍍鎳，然后是鍍金）。最后是切割方案的選擇，水刀和激光兩者各有特點，水刀切割速度快，但會犧牲邊緣銳度和尺寸公差，激光切割則為零件邊緣提供更好的清晰度。

國內相關科研進展

近年來我國的研究工作主要集中在對金剛石微粉的表面涂層處理，其中有在2017年哈工大研究團隊牽頭的采用磁控濺射法制備厚度范圍為35-130nm的鎢涂層金剛石微粉，再通過真空浸滲法（真空壓力滲透是將瓶坯放入模具中，利用真空除去瓶坯中的氣體，然后按一定壓力將惰性氣體注入熔爐，將液態金屬擠入模具型腔，滲入模具的孔隙中）制備DAMMC；還有2018年吉林大學研究團隊牽頭的采用粉末冶金法制備了B₄C涂層金剛石微粉，從而制備出致密復合材料。

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