随着电子器件的功率和集成度越来越高，电子封装对散热材料的要求也在不断提升，研制新型电子封装材料成为提升电子器件功率水平的一大关键点。金刚石/铜复合材料（DCC）因具有热导率高、热膨胀系数可调等优势成为当前的研究热点。接下来，小编就将为大家介绍金刚石/铜复合材料。

（图源：有研工研院）

金刚石/铜复合材料

金刚石/铜复合材料（DCC）是由铜基体和金刚石增强相两个要素构成的。

（1）铜基体

铜有很多种类，包括纯铜、黄铜、青铜、白铜。铜基复合材料大多为电导率和热导率都非常高的纯铜，其中存在0.1-0.5%的微量元素，这些微量元素对纯铜的性能有很大的影响。热导率是选择金属基体首先应该考虑的因素。铜具有高热导率（400W/m·K）、良好的热膨胀系数（17.7×10^-6/℃）、优异的耐腐蚀性以及加工性能。相较铝、银等元素，铜展现出更多的优势，可以有效满足当前电子设备对高热导率、低膨胀系数等综合性能的使用要求。

（2）金刚石增强相

金刚石颗粒相较硅、碳化硅增强相具有高导热、高硬度、高强度、低热膨胀系数、耐磨性、强透光性等优异性能。金刚石属于非金属材料，是碳的同素异构体之一。其晶体属于面心立方结构，单个晶胞中含有8个碳原子，每个碳原子与其他四个碳原子通过共价键相连接，形成了一个极其坚硬、稳定的晶体结构。金刚石紧密的结构使其具有较低的界面能，在常温常压下具有很高的化学惰性，不易与其他元素发生化学反应，难以被大多数金属或合金润湿。因此，如何解决金刚石颗粒难以润湿的问题成为研究的焦点。

金刚石/铜复合材料界面热阻示意图（图源：文献2）

热传导机理

金刚石/铜复合材料的导热机理与金属及陶瓷有非常大的区别，并不是完全依靠自由移动的电子或声子来完成热量传递。铜基体内部存在大量可移动的电子，其传热方式主要是通过自由电子移动、相互作用及碰撞来实现的。金刚石增强相的热传导主要是由声子完成的，因其规则的晶体结构和强共价键，刚性晶格具有较高的振动频率，可以更有效的进行声子传递。铜与金刚石之间的界面传导是影响复合材料整体热导率的关键，其性能取决于界面结合强度、界面态密度以及界面缺陷等因素。为了提升界面结合，降低界面热阻，常用金刚石表面金属化和铜基体合金化两种方式来解决金刚石/铜复合材料界面问题。

（1）金刚石表面金属化：金刚石表面金属化就是预先在金刚石颗粒表面镀覆活性元素，如Ti、W、Mo等。在烧结过程中形成的碳化物与铜有着较好的润湿性，同时又可以与金刚石表面有较好的化学键结合。在后续高温烧结过程中，镀层还可以对金刚石起到一定的保护作用，减少金刚石的损伤。一般常用的金刚石表面金属化方法有化学镀膜、磁控溅射法镀膜、盐浴镀膜、真空微蒸发镀膜等。

碳化物镀层与铜的润湿角（图源：文献2）

（2）铜基体合金化：铜基体合金化是在铜基体中掺杂各种活性元素，如Ti、B、Zr。通过这一方法可以有效降低金刚石与铜的湿润角，同时金刚石/铜界面会生成碳化物层，修饰填充了界面之中的一些缝隙，提高了复合材料的导热性能。铜基体合金化后，复合材料的主要制备方法为熔渗法，制得的复合材料热导率普遍较高，最高可达930W/m·K。

不同碳化物形成元素与铜的溶解度（图源：文献2）

影响复合材料导热性能的因素

1、金刚石成分及结构

金刚石自身的纯度及缺陷对热导率有一定的影响，使用的金刚石品级越高，粉体所含缺陷和杂质越少，则后续制备所得的复合材料热导率越好。除此之外，大量的研究表明，当粒径及含量在一定范围时，复合材料的热导率会达到最佳。在低填充的情况下，金刚石颗粒虽然能在铜基体中均匀分散，但颗粒数目较少，颗粒之间距离大，每个金刚石都被铜基体包裹，颗粒之间没有相互接触和作用，使得金刚石的高导热性能无法在传热过程中发挥作用。当金刚石数量开始增多，颗粒之间开始接触甚至相互作用，在铜基体中会形成一个有效的导热通道，使热量能够快速传输，热导率随之增加。当颗粒较小时，形成的界面数目较多，热阻大，使导热性能差。但当在相同体积分数下，使用大颗粒就会有所不同，大颗粒的界面数目少，界面热阻小，热导率就会相应的增加。在实验中，金刚石含量和粒径的增加均会使孔隙率增高，复合材料的导热率会在某个范围达到最高。金刚石的热导率会随着金刚石体积分数的增大，呈快速上升而后下降的规律。金刚石颗粒数量的增多，会引入更多的界面，使铜不能充分的填充到颗粒之间形成的孔隙中，从而造成闭孔的产生，孔隙增多，造成热导率的下降。与此同时，高填充下的金刚石受损情况会比较严重，使得界面热阻增加，热导率下降。

2、制备工艺

在金刚石和铜基及其他掺杂成分确定的条件下，不同的制备工艺对材料的热导性能的影响较大。Ciupinski等采用SPS法将金刚石及铜铬合金进行烧结制备得到金刚石/Cu复合材料。研究发现，烧结5min的情况下，烧结温度升高，材料热导率得到提升；当烧结时间扩大到两至三倍时，材料热导率随着烧结温度的升高呈先增大后减小的趋势。如烧结温度过低或烧结时间过短，会导致材料致密度较低、材料内部孔隙较多，从而制备所得的材料热导率较低；烧结温度过高和烧结时间过长，都会导致碳化物层明显加厚，致使界面间的热量传导受阻。

金刚石体积分数与粒度对复合材料热导率的影响（图源：文献4）

制备工艺

制备金刚石/铜复合材料的常用方法有：粉末冶金法、高温高压法、熔体浸渗法、放电等离子烧结法。

1、粉末冶金法：粉末冶金法是一种较为成熟的烧结工艺。它是将金刚石颗粒与铜基粉末按照预备的含量均匀混合，混合的过程中可以掺杂一定含量的粘合剂和成形剂，后将混合粉体及掺杂剂压制成型，通过烧结最终得到成品的方法。粉末冶金法工艺简单，成本较低，但制得的粉体致密度不高、内部组织不均，样品尺寸有限、形状简单，难以直接制得性能优异的热导材料。

2、熔体浸渗法：熔体浸渗法包括无压浸渗法和压力浸渗法。它是将加热到熔融态的金属基体浸渗到熔点更高的增强相的间隙中，然后冷却、凝固，制得复合材料的方法。这种方法可以让金刚石颗粒和金属基体的接触更加充分，大幅提升了材料的致密度，可以制备出结构更加复杂、热学性能优越的热导材料。

（1）压力浸渗法：是指在外加压力的作用下将金属熔体浸渗到增强相中，然后施加压力使熔体凝固制得复合材料。压力浸渗是一个较为复杂的过程，增强相预制件的制备、基体的熔炼、浸渗过程中气体的流动以及基体的凝固对样品的性能都有很大影响，采用该方法对石墨模具的设计、烧结参数的控制和烧结设备的选择要求较高。同时，金刚石在常温下是碳的亚稳态，在高温环境下易发生石墨化转变。因此，在保证界面结合的同时，有效降低反应温度是制备具有优异性能金刚石/铜复合材料的关键。

（2）无压浸渗法：是指熔融态金属基体在无外界压力作用的情况下，仅依靠毛血管力自发地向增强相预制坯的孔隙浸渗从而得到复合材料的方法。它要求金属基体和增强相预制体颗粒具有良好的润湿状态，以保证基体渗入后，预制体形态保持良好、颗粒分布比较均匀，其加工所需的工艺设备简单、生产成本较低。

气压浸渗法流程图（图源：文献6）

3、放电等离子烧结法：放电等离子烧结法（SPS）是一项较为先进的快速烧结技术。它是将混合均匀的粉末装入模具内，对模具直接施加特定的压制压力和脉冲电流，让粉末颗粒之间产生放电，使粉末均匀、活化。对于导电的粉体材料，脉冲电流通过导电的石墨模具直接作用在粉体材料上，粉体材料产生巨大的焦耳热，在短时间内即可完成烧结过程。整个烧结过程是颗粒放电、焦耳热以及压力共同作用的结果；对于不导电的粉体材料，所施加的脉冲电流会通过石墨模具产生极大的焦耳热，这些焦耳热通过石墨模具传递给粉体材料从而完成样品的烧结。相较传统的加热方式，放电等离子烧结法能够在短时间内实现粉体材料的致密化，可以有效避免晶粒的长大，达到细化晶粒的作用。综合来说，放电等离子烧结法具有升温速度快、烧结时间短、烧结压力低、节能环保等优点，制得的复合材料晶粒组织均匀、致密，综合性能更加稳定的特点。目前的主要研究难点在于对该烧结工艺和材料界面的成分控制不够精准。

放电等离子烧结设备工作原理示意图（图源：文献5）

小结

随着金刚石/铜复合材料制备技术的不断革新，目前制成的复合材料热导率普遍达到600W/m·K以上，有的甚至可以达到900W/m·K以上。然而，当下困扰金刚石/铜复合材料的问题是如何控制制备成本。但作为具有广泛应用前景的新一代电子封装材料，研究金刚石/铜复合材料的制备与工业化对于当前电子信息技术的发展是具有重要意义的。

参考文献：

1、张永杰.电子封装用金刚石/铜复合材料导热性能的数值模拟研究[D].南昌航空大学.

2、戴书刚,李金旺,董传俊.金刚石/铜高导热复合材料制备工艺的研究进展[J].精细化工.

3、彭卓豪,王宗元,王杰,等.高导热金刚石/Cu复合材料研究进展[J].功能材料.

4、赵龙,宋平新,张迎九,等.高导热金刚石/铜电子封装材料:制备技术、性能影响因素、界面结合改善方法[J].材料导报.

5、张凯.高导热金刚石/铜复合材料的制备工艺与性能研究[D].郑州大学.

6、王硕.电子封装用金刚石铜复合材料的制备及性能研究[D].东南大学.

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