高导热金刚石/铜复合材料的导热研究进展

金刚石/铜复合材料具有密度低、热导率高及热膨胀系数可调等优点,且与新一代芯片具有良好的热匹配性能,因此其在高热流密度电子封装领域具有非常广泛的应用前景。然而由于金刚石与铜界面润湿性差,界面热阻高,导致材料热导率比铜还低,限制了其应用。为了改善其界面润湿性,国内外通过在金刚石表面金属化或对铜基体预合金化等手段来修饰复合材料界面,以提高金刚石/铜复合材料的热导率。本文综述了表面改性、导热模型相关的界面理论以及有限元模拟的研究进展,讨论了制备工艺、导热模型和未来发展的关键方向,总结了金刚石添加量、颗粒尺寸等制备参数对其微观组织结构和导热性能的影响规律。     

金刚石/铝基复合材料的性能影响因素研究

金刚石/铝复合材料具有高热导率、低密度以及低热膨胀系数等优异的性能,成为电子封装领域的研究重点。综述了影响金刚石/铝基复合材料热物理性能和力学性能的因素,并对其热导率及热膨胀系数的常用理论计算模型进行了探讨。最后,对金刚石/铝复合材料的发展前景进行了展望。     

颗粒尺寸对金刚石/Al封装基板热物性的影响

利用新型液固分离技术制备40％(体积分数)-金刚石/Al复合材料封装基板,通过SEM、EPMA和XRD观察和分析复合材料的断口形貌及界面结构,分析金刚石颗粒尺寸(90、106、124和210μm)对金刚石/Al复合材料热物性的影响.结果表明,复合材料致密度随金刚石颗粒尺寸增加呈现先增加后急剧降低的规律,在颗粒尺寸为106 μm时,致密度达到极大值.复合材料界面处未发现有恶化性能的Al4C3生成.复合材料的热膨胀系数随金刚石颗粒尺寸增加略有增大,保持相对稳定,Kerner模型可以准确模拟复合材料热膨胀系数.热导率受金刚石颗粒尺寸和界面行为共同作用,与致密度呈现相同变化规律.金刚石颗粒尺寸为106 μm的金刚石/Al复合材料具有最佳的综合性能,致密度达到97.12％,热膨胀系数为12.4×10-6 K-1,热导率为153.1 W/(m·K),达到Maxwell-Eucken模型预测值的69.31％,气密性指标满足电子封装材料军用装配标准.     

粉末冶金法制备金刚石/铜复合材料热导率研究

为研制更高热导率的产品,采用粉末冶金法将金刚石与高纯度铜粉热压在一起,制备新型金刚石/铜复合材料。通过正交分析法,研究了金刚石/铜复合材料热导率的影响因素。结果表明:用粉末冶金法制备的金刚石/铜复合材料,其热导率最高为245.89 W/（m·K）。对金刚石/铜复合材料热导率影响最大的因素是金刚石与铜粉的体积比,并且随着体积比的增大,金刚石/铜复合材料热导率逐渐下降。金刚石/铜复合材料的致密度以及界面结合程度是影响金刚石/铜复合材料热导率大小的重要因素,致密度高、界面结合好的复合材料热导率高,反之则低。      

W对金刚石/铜复合材料组织及性能影响

采用金刚石与W粉混合制备预制坯,然后通过无压浸渗制备金刚石/铜复合材料。采用SEM、XRD、激光热导仪等手段,分析了不同的掺杂量对金刚石/铜复合材料的组织、界面结构及热导率的影响。结果表明,随着W的加入,金刚石与铜的界面结合良好,复合材料的组织更加致密,W元素在界面处富集生成WC、W2C等碳化物。随着掺杂量的增加,复合材料的热导率先升高后下降,最高达到450 W·m~(-1)·K~(-1)。     

镀硼金刚石-金属基复合材料的制备及其性能研究

为了得到高导热、高结合力的金刚石-金属基复合材料,解决金刚石与金属之间浸润性差的关键问题,本文首先通过高温盐浴法对金刚石粉体表面进行硼改性处理,然后将金刚石粉体与金属粉体通过真空热压制备得到改性后的金刚石-金属基复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM),能谱仪(EDS),排水法密度测试仪,激光热导仪(LFA),热膨胀系数测定仪,X射线衍射仪(XRD)一系列的方法分别探究了镀硼对材料的形貌,元素种类,复合材料的密度,热导性能,热膨胀系数和物相成分的影响。结果表明,金刚石粉体经硼化处理后,制备得到的金刚石-金属基复合材料界面粘结能力强,界面层与层之间为化学键结合。相比未前处理过的金刚石压制得到的复合材料,表现出高导热、高结合力的优异性能。镀硼金刚石-铝复合材料无水解性Al4C3生成,且材料热导率达到560 W/(m·K)。     

液固分离法制备金刚石/铝封装材料的组织与性能

采用高性价比液固分离法(LSS)制备高性能金刚石/铝散热基板,研究金刚石镀铜对复合材料界面结合和导热性能的影响,利用SEM、EMPA、XRD分析复合材料的断口形貌及界面行为。结果表明:镀层元素向基体扩散与基体铝形成Al_2Cu_4化合物,中间相增强两相界面结合,改善材料性能。金刚石镀铜处理后,复合材料致密度提高1.16%,热导率提高9.50%,抗拉强度提高17.39%,复合材料的热物理性能优于CE13合金的。用Maxwell、Kerner理论模拟预测热导率(TC)、热膨胀系数(CTE)与实际测量结果相一致。     

金刚石/碳化硅/铝复合材料的热膨胀性能

采用气压浸渗法制备金刚石/碳化硅/铝复合材料,研究复合材料的断口形貌以及界面反应,测试复合材料的热膨胀性能。结果表明:金刚石表面Ti镀层使得其选择性粘附不同于未镀钛金刚石的,而在各个面上均粘附有Al,金刚石与基体间有着良好的界面结合,断裂方式以基体断裂为主,其界面反应后,Ti以Al3Ti和Ti-Al-Si等金属间化合物的形式析出,提高金刚石/铝界面的结合强度,降低复合材料的热膨胀系数;随着金刚石颗粒粒径的增大,金刚石和碳化硅颗粒间粒径比的增大增加了整个复合材料的体积分数,从而降低了其热膨胀系数;金刚石颗粒粒径增大导致热膨胀系数升高。这两方面共同影响复合材料的热膨胀系数,但前者起主导作用;金刚石和碳化硅在不同配比下的热膨胀系数随着复合材料中碳化硅含量的增加逐渐增大,Terner模型与Kerner模型的计算平均值能较好地预测实验结果。     

高温高压法制备金刚石/铜复合材料的研究

采用高温高压法制备金刚石/铜复合材料。研究金刚石体积分数、烧结压力、保温时间、烧结温度、金刚石表面金属化对金刚石/铜复合材料热导率及热膨胀系数的影响。实验表明:金刚石体积分数70%,烧结压力2 GPa,烧结时间300 s,烧结温度1200℃时,金刚石/铜复合材料热导率达426 W/（m·K）。      

表面镀钨层对金刚石/铜复合材料热导率的影响

采用真空微蒸发-扩散镀技术,在金刚石表面镀覆不同厚度的钨层,并结合真空熔渗法制备金刚石铜复合材料。通过X射线衍射分析镀覆层相结构,采用扫描电镜观察镀覆层表面微观形貌和复合材料中金刚石与铜界面结合形貌,分析金刚石表面镀钨层组织、结构及厚度对金刚石/铜复合材料热导率的影响。结果表明:金刚石表面镀覆钨能改善与基体的润湿性;随着镀覆层均匀性和厚度增加,复合材料热导率先增加后减小;完整均匀的镀覆层可以获得较高界面热导。