金刚石/铜复合材料，要火！

自20世纪80年代开始，电子元器件中电路的集成程度以每年1.5倍甚至更快的速度进行增长。集成电路的集成程度越来越高使电流越来越高，在工作中产生的热量越来越大。如果散热不及时，就会造成电子元器件的热损坏并降低使用寿命。

所以，为了满足日益增长的电子元器件散热要求，具有高导热性能的电子封装材料被不断地研究和优化。

金刚石/铜复合材料，图片来源：元素六

金刚石与铜

传统的电子封装材料主要有陶瓷、塑料、金属及其合金。BeO、AlN等陶瓷材料具有和半导体元器件相匹配的低热膨胀系数，化学稳定性好，热导率较高，但其制备工艺复杂，加工较困难，尤其是BeO有剧毒且成本高。塑料封装材料具有成本低、质量轻、绝缘性好等优点，但塑料封装材料热导率差，耐高温性差，电性能与半导体热膨胀系数匹配一般。单一的Cu、Ag、Al等金属具有较高的热导率，但热膨胀率过高。Cu-W，Cu-Mo等合金材料热导率又较低。因此，为保障电子元器件的正常使用以及延长使用寿命，迫切需要研制热导率高且热膨胀率适宜的新型封装材料。

各种增强体性能指标 

金刚石是目前已知的在自然界中存在的最坚硬的物质，莫氏硬度达到10，同时也是自然界中导热系数最高的物质之一，导热系数高达200～2200W/(m·K)。

金刚石微粉，来源：元素六

铜的导热、导电、延展性都较好，热导率为401W/(m·K)，远高于铝、钼等金属，并且价格低廉，被广泛应用于集成电路领域。

综合金刚石和铜的导热性能，以铜为基体、金刚石为增强体的金刚石/铜复合材料被很多人认为是未来主流的高导热电子封装材料。

制备方法有讲究

金刚石/铜常用的制备方法有：粉末冶金法、高温高压法、熔体浸渗法、放电等离子烧结法、冷喷涂法等。

单粒径金刚石/铜复合材料不同制备方法工艺与性能对比

（1）粉末冶金法

该工艺基本原理是将金刚石颗粒和Cu基粉末按照预备的含量均匀混合，在混合的过程中可掺杂一定含量的粘结剂和成形剂，将混合粉体及掺杂剂压制成型之后，通过烧结最终得到高导热金刚石/Cu复合材料。

烧结设备

粉末冶金法工艺简单，成本较低，是一种较成熟的烧结工艺。但该方法所得的粉体致密度不高、内部组织不均，且制得样品尺寸有限、形状简单，难以直接制得热学性能优异的热导材料。

（2）高温高压法

高温高压法主要依靠六面顶压机提供的高温高压对金刚石和铜进行烧结。所提供的高温达到了铜的熔点，使得铜成为熔融状态，另外由于金刚石的网格结构，在高温高压的作用下，熔融铜充分填充到金刚石网格结构周围，形成了结合紧密的复合材料。

六面顶压机

虽然高温高压法制备的复合材料致密度很高，导热性能好，但是它对模具的要求很高，且难以制备尺寸较大的产品，成本较高，很难在工业上广泛应用。

（3）熔体浸渗法

熔体浸渗顾名思义是将熔融态的金属基体渗入增强体中即金刚石颗粒的间隙中，然后冷却凝固制备复合材料。熔体浸渗法分为压力、无压浸渗2种。压力、无压浸渗均通过高温使固态的铜达到熔点熔化。压力浸渗通过施加外来的压力使熔化的铜浸入金刚石的间隙中，无压浸渗则是依靠金刚石颗粒自身的毛细现象驱动熔融铜渗入。用这种方法制成的复合材料热导率均在446W/(m·K)以上。 

（4）放电等离子烧结法

放电等离子烧结法(SPS)是将金刚石和铜的混合粉末装入石墨模具中，利用脉冲电流产生火花放电温度对粉末进行均匀加热，同时在加热过程中施加一定的压力，实现快速烧结完成复合材料。它是一种新型、快速、高效的制备方法。

放电等离子烧结系统示意图

放电等离子烧结法效率很高，但该法对金刚石体积分数要求较高，当金刚石体积分数高于65%时，烧结制备的复合材料性能大幅下降。

（5）冷喷涂法

冷喷涂沉积法是通过把两种混好的粉末放入到炉膛中，经过金属熔融、液态金属雾化过程后喷射沉积在基体板上得到复合材料。

目前采用冷喷射沉积技术来制备金刚石复合材料的文献不多，主要受设备限制，因此还有许多问题有待解决，如采用喷射沉积法制备出来的金刚石复合材料，其表面平整度是否可控，其热导率能否满足电子封装要求等。

重要的事情说三遍：改性！改性！改性！

对复合材料的制备而言，组元之间相互浸润是进行复合的必要先行条件，是影响界面结构及界面结合状态的重要因素。金刚石和Cu的界面互不润湿状况导致界面热阻很高。因此，通过各种技术手段对两者的界面进行改性研究十分关键。目前，主要有两种方法改善金刚石与Cu基之间的界面问题：（1）金刚石表面改性处理；（2）铜基体的合金化处理。

改性示意图：(a)金刚石表面直接镀覆；(b)基体合金化

（1）金刚石表面改性

在增强相表层镀Mo、Ti、W、Cr等活性元素可改善金刚石界面特性，从而提高其热传导性能。通过烧结可使以上元素与金刚石粉体表层的碳反应形成碳化物过渡层，这样优化了金刚石与金属基之间的润湿状态，并且镀层在高温下可防止金刚石结构发生改变。

（2）铜基体合金化

在材料的复合加工之前，对金属铜进行预合金化处理，这样可制得热导率普遍较高的复合材料。在铜基体中掺杂活性元素不仅可有效降低金刚石与铜之间的润湿角，还能在反应后于金刚石/Cu界面间生成可固溶于铜基的碳化物层，这样材料界面间存在的多数间隙得到修饰填充，从而提高了导热性能。

小结

随着社会的发展和进步，电子芯片产生的热量日益增加，传统封装材料由于低热导率或高热膨胀系数的原因，已经很难满足使用要求。而金刚石颗粒增强铜基复合材料具有高导热性和可调控的热膨胀系数等优点，被认为是具有发展前景的电子封装材料之一。

参考来源：

[1]吴新志.金刚石表面处理对金刚石/铜复合材料导热性能的影响

[2]卫陈龙.金刚石表面金属化及金刚石/铜复合材料微波烧结工艺研究

[3]陈卫等.金刚石/铜复合材料的制备方法及应用现状

[4]彭卓豪等.高导热金刚石/Cu复合材料研究进展

[5]徐薇等.电子封装用高导热金刚石/铜复合材料的研究进展

[6]孙龙.金刚石/铜复合材料的制备及其性能研究

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