高导热金刚石/铜复合材料研究进展

金刚石 / 铜复合材料兼具低密度、高导热率数和可调热膨胀系数等优点,近年来成为新一代热管理材料的研究重点。 通过理论、试验及模拟三个方向对金刚石 / 铜复合材料进行综述。回顾金刚石 / 铜复合材料的发展历程,总结金刚石 / 铜复合材料重要的颗粒混合理论模型及“三明治”复合结构经验公式,研究影响热导率和热膨胀系数等两大热学性能指标的重要因素,简述有限元模拟在金刚石 / 铜复合材料中的相关应用。其中,重点分析界面改性(活性改性元素种类和改性层厚度)对金刚石 / 铜复合材料导热性的影响。结果表明,通过界面改性、增加接触面积以及在较高温度和压力机制驱动下制备的金刚石 / 铜复合材料具有优异的热物理性能。最后由所得结论提出双峰金刚石、渗碳、大尺寸金刚石自支撑膜表面织构化等方法, 可用来提升金刚石 / 铜复合材料界面结合强度和散热性能。     

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。      

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。     

金刚石/铝导热复合材料的显微组织与热力学性能

以高温盐浴法对金刚石表面进行镀硅处理来改善金刚石和铝基之间的界面结合,镀硅后的金刚石颗粒表面略显粗糙,表面的镀层均匀;采用真空热压烧结法制备高导热镀硅金刚石/铝复合材料,研究了烧结温度和金刚石体积分数对复合材料相对密度和热导率的影响。随着金刚石体积分数的增加,复合材料的相对密度和热导均呈现先升后降的趋势,当金刚石体积分数为45%时,复合材料的热导率达到最大,为558 W/mK。     

高导热金刚石/铝复合材料的真空热压制备

以纯铝粉末和金刚石为基体材料,采用真空热压固相烧结方式制备出热导率为677 W/(m·K)的高导热金刚石/铝复合材料。利用激光导热仪、热膨胀仪对金刚石/铝复合材料性能进行表征,并通过对制备温度、保温时间及金刚石基本颗粒尺寸的调控来优化制备工艺。研究发现:随制备温度升高,金刚石/铝复合材料的密度及致密度均有所提高,其热导率呈先升后降的趋势,当制备温度为650 ℃时,热导率达到526.2 W/(m·K)。随着保温时间由30 min增加至120 min,金刚石/铝复合材料的密度、致密度和热导率均增大,致密度达到99.1%,热导率达到566.7 W/(m·K)。当金刚石基本颗粒尺寸由20 μm增加至500 μm时,金刚石/铝复合材料的密度、致密度先增大后减小;在金刚石基本颗粒尺寸为200 μm时,密度达到最大,分别为3.06 g/cm3和98.4%;热导率随金刚石基本颗粒尺寸逐渐增大,在金刚石基本颗粒尺寸为500 μm时,热导率达到677.5 W/(m·K),为目前最高增强效率。故通过工艺控制可以有效提高铝基体与金刚石的结合,减少其界面空隙,进而制备出高热导率金刚石/铝复合材料。      

钛镀层对金刚石/铝导热复合材料的显微组织与热学性能的影响

采用高温盐浴法对金刚石表面进行镀钛处理来改善金刚石和铝基之间的界面结合,镀钛后的金刚石颗粒表面略显粗糙,表面的镀层均匀;采用真空热压烧结法制备高导热金刚石/铝复合材料,研究了金刚石表面镀钛对复合材料显微组织、热膨胀系数和热导率的影响。结果表明:金刚石表面的钛镀层改善了金刚石各晶面与铝基体的结合状态,增加了金刚石和铝之间的界面结合强度;当铝基体在镀钛金刚石颗粒形成的骨架结构中膨胀时,可以被骨架很好的约束,从而降低了复合材料的热膨胀系数;金刚石表面钛镀层减少了复合材料的孔洞,增加了致密度,从而提高了复合材料的热导率。     

金刚石/铜复合材料热导率研究

采用高温高压法制备出金刚石/铜复合材料,并对复合材料的显微组织及性能进行了研究.结果表明,采用高温高压法制备的金刚石/铜复合材料,组织致密;复合材料的热导率随金刚石含量的增加而下降,这主要是由于界面热阻对复合材料热导率的影响.     

添加稀土Nd改善金刚石/铜复合材料界面

目的添加稀土Nd改善金刚石/铜复合材料界面间的缺陷,抑制金刚石与铜之间的弱润湿性,增强复合材料的界面结合。方法采用放电等离子烧结(SPS)技术制备含有不同质量分数Nd的镀钛金刚石/铜复合材料,采用扫描电子显微镜观察界面处的微观形貌,采用X射线衍射仪和X射线能谱仪分析界面处组织,采用排水法测试复合材料的密度和致密度。结果添加稀土Nd后,金刚石-铜两相界面间促生了Cu_5Nd、NdCu_2、Cu_3Ti等相。界面间的Cu_5Nd、NdCu_2、Cu_3Ti、TiC填补了镀钛金刚石/铜复合材料界面处原有的空隙、孔洞等缺陷。未添加稀土Nd的镀钛金刚石/铜复合材料的密度为4.589 g/cm~3,致密度为81%;添加3wt%的Nd元素后,镀钛金刚石/铜复合材料的密度和致密度分别达到了5.569 g/cm~3和98%,密度较未添加Nd的复合材料提升了21%。随着Nd含量的增加,金刚石-铜界面间的缺陷逐渐减少,界面结合效果逐渐转好。结论稀土Nd极大地改善了镀钛金刚石/铜复合材料两相界面处的缺陷,很好地修饰了原本润湿性较差的金刚石-铜两相界面。添加Nd元素后,复合材料两相界面结合紧密。     

TiO2对金刚石/铜复合材料导热性能的影响

为研究金刚石/铜复合材料界面传热对其导热性能的影响，采用放电等离子烧结制备了添加0.4～1.0 mass%TiO₂的金刚石/铜复合材料，分析了其微观结构、物相组成和热导率，研究了TiO₂对金刚石/铜复合材料导热性能的影响。结果表明：TiO₂的添加使金刚石表面变得粗糙，且在金刚石和铜的界面处形成了TiC过渡层；TiC过渡层有效地改善了金刚石和铜的结合，从而减少了裂纹及孔洞的形成，提高了声子传热效率；添加0.8 mass%TiO₂的金刚石/铜复合材料的热导率为421 W·m^-1·K^-1,达到理论热导率的73%,相比未添加TiO₂的金刚石/铜复合材料(186 W·m^-1·K^-1)提高了1.26倍。     

并联导热结构的金刚石/铜基复合材料的制备

为提高金刚石/铜基复合材料的导热性能,在芯材表面预先化学气相沉积(CVD)高质量金刚石膜,获得柱状金刚石棒,再将其垂直排列,填充铜粉后真空热压烧结,制备并联结构的金刚石/铜基复合材料。分别采用激光拉曼光谱(Raman)与扫描电子显微镜(SEM)对CVD金刚石膜的生长进行分析,并通过数值分析讨论复合材料的热性能。结果表明:金刚石/铜基复合材料结构致密,密度为9.51g/cm3;CVD金刚石膜构成连续的导热通道,产生并联式导热,复合材料的热导率为392.78 W/(m·K)。     

金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展

氮化镓(GaN)基功率器件性能的充分发挥受到沉积GaN的衬底低热导率的限制，具有高热导率的化学气相沉积(CVD)金刚石，成为GaN功率器件热扩散衬底材料的优良选择。相关学者在高导热金刚石与GaN器件结合技术方面开展了多项技术研究，主要包括低温键合技术、GaN外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术、单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术。对GaN功率器件散热瓶颈的原因进行了详细评述，并对上述各项技术的优缺点进行了系统分析和评述，揭示了各类散热技术的热设计工艺开发和面临的技术挑战，并认为低温键合技术具有制备温度低、金刚石衬底导热性能可控的优势，但是大尺寸金刚石衬底的高精度加工和较差的界面结合强度对低温键合技术提出挑战。GaN外延层背面直接生长金刚石则具有良好的界面结合强度，但是涉及到高温、晶圆应力大、界面热阻高等技术难点。单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术则分别受到单晶金刚石尺寸小、成本高和工艺不兼容的限制。因此，开发低成本大尺寸金刚石衬底，提高晶圆应力控制技术和界面结合强度，降低界面热阻，提高金刚石衬底GaN器件性能方面，将是未来金刚石与GaN器件结合技术发展的重点。     

Microstructure and thermal conductivity of copper matrix composites reinforced with mixtures of diamond and SiC particles

The thermal conductivity of diamond hybrid SiC/Cu,diamond/Cu and SiC/Cu composite were calculated by using the extended differential effective medium (DEM) theoretical model in this paper.The effects of the particle volume fraction,the particle size and the volume ratio of the diamond particles to the total particles on the thermal conductivity of the composite were studied.The DEM theoretical calculation results show that,for the diamond hybrid SiC/Cu composite,when the particle volume fraction is above 46% and the volume ratio of the diamond particles to the SiC particles is above 13:12,the thermal conductivity of the composite can reach 500 W·m-1·K-1.The thermal conduc-tivity of the composite has little change when the particle size is above 200μm.The experimental results show that Ti can improve the wettability of the SiC and Cu.The thermal conductivity of the diamond hybrid SiCTi/Cu is almost two times better than that of the diamond hybrid SiC/Cu.It is feasible to predict the thermal conductivity of the composite by DEM theoretical model.     

高导热金刚石／铝和金刚石／铜复合散热材料的研究进展

人造金刚石由于其自身高的热导率、低的热膨胀系数和相对低的价格已成为制造新型散热材料的研究热点。本文主要介绍了近年来在金刚石／铝和金刚石／铜复合散热材料的致密度、合成方法、热导率、界面等方面的一些研究进展。添加活碳元素（硼、铬等）和在高压下使金刚石直接成键可能是提高金刚石／金属散热材料热导率的两种有效途径。     

Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials

Diamond-copper composites were prepared by powder metallurgy, in which the diamond particles were pre-coated by magnetic sputtering with copper alloy containing a small amount of carbide forming elements (including B, Cr, Ti, and Si). The influence of the carbide forming element additives on the microstructure and thermal conductivity of diamond composites was investigated. It is found that the composites fabricated with Cu-0.5B coated diamond particles has a relatively higher density and its thermal conductivity approaches 300 W/(m·K). Addition of 0.5%B improves the interfacial bonding and decreases thermal boundary resistance between diamond and Cu, while addition of 1%Cr makes the interfacial layer break away from diamond surface. The actual interfacial thermal conductivity of the composites with Cu-0.5B alloy coated on diamond is much higher than that of the Cu-1Cr layer, which suggests that the intrinsic thermal conductivity of the interfacial layer is an important factor for improving the thermal conductivity of the diamond composites.     

Improved Thermal Performance of Diamond-Copper Composites with Boron Carbide Coating

B₄C-coated diamond (diamond@B₄C) particles are used to improve the interfacial bonding and thermal properties of diamond/Cu composites. Scanning electron microscopy, x-ray diffraction, and x-ray photoelectron spectroscopy were applied to characterize the formed B₄C coating on diamond particles. It is found that the B₄C coating strongly improves the interfacial bonding between the Cu matrix and diamond particles. The resulting diamond@B₄C/Cu composites show high thermal conductivity of 665 W/mK and low coefficient of thermal expansion of 7.5 × 10^?6/K at 60% diamond volume fraction, which are significantly superior to those of the composites with uncoated diamond particles. The experimental thermal conductivity is also theoretically analyzed to account for the thermal resistance at the diamond@B₄C-Cu interface boundary.