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。     

过渡层对铜基金刚石薄膜的影响

采用热丝化学气相沉积(HFCVD)在纯铜基体及4种不同的过渡层(Ti、Nb、Ni、W)上制备金刚石薄膜。利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、拉曼光谱仪(Raman)以及维氏硬度计对金刚石薄膜进行检测分析,研究了不同过渡层对金刚石薄膜形貌质量和附着性能的影响。结果表明,在纯铜基体以及多种过渡层上都能制备高纯度的金刚石薄膜;在形核率较高的基体上金刚石颗粒的尺寸较小,在Ni过渡层上金刚石颗粒的尺寸较大;金刚石薄膜在Ti过渡层上结合性能最好,但是非金刚石相最多。在Nb、W过渡层上的结合性能最差。     

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。     

铜基体表面CVD单晶金刚石微粉的制备

采用基体自形核法,研究了光滑铜基体表面超声研磨预处理对基体表面CVD单晶金刚石微粉沉积的影响。研究结果表明:未经超声研磨预处理的光滑铜基体表面,单晶金刚石微粉形核密度极低;预处理时间不超过1 min时,可以在光滑铜基体表面获得形核密度较高又不会相互连接的单晶金刚石微粉;预处理时间超过2 min时,形核密度过高,金刚石晶粒会相互连接,甚至生长成膜。本实验沉积出的金刚石微粉纯度高,非晶碳含量少,表面光滑,可以观察到（111）和（100）面,具有立方-八面体构型,符合高品级人造金刚石磨料的要求。      

纳米金刚石薄膜制备的现状与展望

与微米金刚石薄膜不同，纳米金刚石薄膜晶粒度小，表面平滑。从发展水平来看，目前国内外纳米金刚石薄膜的研究，还处于基础性研究阶段，纳米金刚石薄膜的应用刚刚起步，距产业化还有较大距离。但是，由于纳米金刚石薄膜具有众多的优异性能，正因为如此，可望在众多的高技术领域中得到广泛应用。     

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...     

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。     

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。      

铜基体预沉积铜-金刚石复合过渡层金刚石膜的制备与表征（英文）

在铜基体表面电沉积铜-金刚石复合过渡层,采用电镀铜加固突出基体表面的金刚石颗粒,最后利用热丝化学气相沉积(HFCVD)法在复合过渡层上沉积大面积的与基体结合牢固的连续金刚石膜。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱和压痕试验对所沉积的金刚石膜的表面形貌、内应力及膜/基结合性能进行研究。结果表明:金刚石膜由粗大的立方八面体颗粒与细小的(111)显露面颗粒组成,细颗粒填充在粗颗粒之间,形成连续的金刚石膜。复合过渡层中的露头金刚石经CVD同质外延生长成粗金刚石颗粒,而铜表面与粗金刚石之间的二面角上的二次形核繁衍长大成细金刚石颗粒。金刚石膜/基结合力的增强主要来源于金刚石膜与基体之间形成镶嵌咬合和较低的膜内应力。     

基底材料和温度对CVD金刚石沉积的影响

使用热丝CVD装置在钢渗铬层、三氧化二铝、YG8硬质合盒基底上沉积了金刚石膜、结果表明，在700～900℃温度范围内，热稳定性好的基底材料有利于金刚石晶核的形成。硬质合金和三氧化二铝的热稳定性都比钢港铬层好，在700～900℃能获得10^7cm^-2以上的形核密度，而钢渗铬层超过800℃后．形核密度低于10^6cm^-2。     

PECVD制备六方金刚石结构碳氢薄膜

利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在单晶硅(100)表面上制备了一层含有六方金刚石结构的碳氢薄膜。采用透射电子显微镜和拉曼光谱仪对薄膜结构进行表征;并用Nano-indenterⅡ型纳米压痕仪和CSM—摩擦磨损试验机对薄膜的力学性能和摩擦学性能进行了测试。结果表明:该碳氢薄膜含有六方金刚石结构,另外还含有少量的纳米弯曲石墨片段;与制备的类金刚石碳氢薄膜相比,该薄膜具有较好的力学性能,同时该薄膜在空气环境下表现出了较好的摩擦学性能。     

钢基渗铝过渡层上沉积金刚石薄膜的研究

在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置中,以45钢钢板上的渗铝层作为过渡层,制备金刚石薄膜。研究了基体表面不同的铝含量对金刚石膜质量的影响。扫描电子显微镜(SEM)、能谱和Raman谱测试表明,渗铝层中的FeAl等金属间化合物在低温沉积时能减弱碳向基体的扩散,防止非金刚石相碳的出现,从而有利于高质量的金刚石薄膜的沉积。而试样表面过低的铝含量及过高的沉积温度不利于金刚石薄膜的形核与生长。     

CVD金刚石膜剥离后基底渗铬层的表面形态

研究了CVD金刚石剥离后基底渗铬层的表面形态以及金刚石的背面形貌。结果发现，以渗铬层为基底在600～900℃之间进行CVD金刚石薄膜沉积后，渗铬层的铬碳化合物层和铬扩散层的厚度都增加了；白亮层的铬浓度比沉积前低；渗铬层硬度梯度因铬的扩散而变得比金刚石沉积前更平缓。     

甲烷浓度对CVD金刚石膜表面粗糙度的影响

研究了化学气相沉积金刚石膜时甲烷浓度与金刚石膜表面粗糙度的关系。结果表明，随甲烷浓度的增加金刚石膜表面粗糙度下降。表面粗糙度主要由金刚石膜的晶粒大小和二次形核决定，晶粒越细，表面粗糙度越低，在金刚石晶界二次形核及长大，也促使金刚石膜表面粗糙度降低。     

金刚石薄膜涂层扇形孔绞线紧压模的制备、抛光及应用

为改善异型绞线紧压模耐磨损性能,提高异型线缆质量,采用热丝化学气相沉积方法,在孔型经优化设计的扇形孔绞线紧压模内孔沉积了厚度均匀、附着性能优异、相对易于抛光且具有很好的耐磨损性能的硼掺杂微米-本征微米-本征细晶粒复合金刚石薄膜,采用机械自动线抛光、磨料流抛光及手工机械抛光相结合的抛光工艺对内孔工作表面进行抛光,使其整体表面粗糙度Ra值达到50 nm以下,在铜材质扇形分裂导体绞线紧压实际生产应用试验表明,可以替代低效的传统滚轮挤压工艺;采用传统工艺制造的异型电缆表面粗糙度Ra值约为1.027μm,应用金刚石薄膜涂层扇形孔绞线紧压模可以将其表面粗糙度降低到0.473μm,且在截面积更小、质量更轻的情况下获得更小的电阻。     

纳米金刚石薄膜研究进展

本文对纳米金刚石薄膜的研究现状和发展趋势进行了综合评述，从纳米金刚石薄膜的沉积原理和工艺以及纳米效应表征等方面分析了国内外最新研究成果，比较了常规和纳米金刚石薄膜不同沉积工艺和形核生长机理，对纳米金刚石薄膜的硬度、内应力、摩擦特性等机械性能也作了概述，在此基础上，提出在常规金刚石薄膜基础上沉积纳米金刚石薄膜组成复合涂层的新方法。     

缠绕钨丝CVD钨管的组织及性能

为了提高CVD钨的强度和韧性,采用自制化学气相沉积装置,以WF6和H2为反应气体,在化学气相沉积钨过程中周期性地在基体上缠绕钨丝,沉积制备了钨丝-CVD钨复合材料。使用金相显微镜和扫描电镜(SEM)分别对沉积制备的钨丝-CVD钨复合材料涂层的显微组织和断口形貌进行观察和分析,使用X射线衍射仪(XRD)、电子能谱仪、密度测量仪、显微硬度仪和万能材料试验机分别测试分析了涂层的结构、成分、密度、显微硬度及压溃强度。结果表明:与不缠钨丝的CVD钨管相比,缠绕钨丝的CVD钨管中CVD钨晶粒得到了细化,择优取向基本消失;钨丝-CVD钨复合材料涂层具有较高纯度和致密度;钨丝-CVD钨管的压溃强度显著提高,断口形貌发生了明显的变化。     

化学气相沉积金刚石膜的研究与应用进展

化学气相沉积(CVD)金刚石膜具有极其优异的电学(电子学)、光学、热学、力学、声学和电化学性能的组合,因此在一系列高新技术领域有非常好的应用前景,并曾在20世纪80年代中期形成席卷全球的"金刚石热"。30余年来,CVD金刚石膜研究取得了极其巨大的进展,但在产业化应用方面仍不尽人意。本文对此进行了比较详尽地综述和评论,希望更多的人了解,并推进其研究和产业化进展。     

Ir/HfO2复合涂层的制备及性能研究

利用化学气相沉积(CVD)技术制备了HfO2涂层和Ir/HfO2复合涂层,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)对涂层的性能进行分析。结果表明:在沉积Ir时,沉积室升温速率≤10 ℃/min时,制备出的Ir/HfO2复合涂层经真空高温热处理后可获得表面质量良好的Ir层,且Ir层纯度达到99.77%;真空热处理有益于提高Ir/HfO2复合涂层之间的结合程度,且热处理温度越高,结合效果越好;表面制备有HfO2涂层的Ir棒在1980 ℃氧化10 h的条件下,HfO2涂层对Ir的保护效果显著,可将Ir的氧化深度由毫米级降至数十微米。