随着通讯技术进入5G时代，集成电路也向着大规模、高集成、大功率方向不断深入，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料正在加速扩大市场，相应的导热散热技术势必要跟进提升，金刚石金属基复合材料被寄予厚望，产业化道路也走在前列，其中金刚石/铝复合材料以其密度低、导热率高、热膨胀系数(CTE)可调等优点成为热管理领域的热门研发方向。

电子封装中散热材料不仅要具备高导热性，其热膨胀系数还需要与半导体相当，这样才能保证可靠性和长寿命。比如银、铜、铝等金属虽然导热性好，却与半导体材料的热膨胀系数不匹配，器件运行中的热应力会导致故障发生。金刚石不仅具有出色的导热性，而且热膨胀系数与碳化硅（GaN on SiC）接近，随着GaN on Diamond路线的兴起，这方面的优势只会更加突出。本文主要以在2011年推出的首款用于GaN器件的铝金刚石散热器材料的Nano Materials International Corp（NMIC）公司产品为例，介绍金刚石/铝复合材料（DAMMC）。

金刚石/铝复合材料（DAMMC）及其显微结构（来源：NMIC）

NMIC公司的DAMMC导热系数大于500W/mK，比用于这些应用的任何其他材料高 80%，室温下热膨胀系数低至6ppm/K，与半导体材料兼容，3.17g/cc的低密度则有利于实现轻量化。这种采用铝合金成分，渗入工业级金刚石微粉的复合材料必须优化金刚石微粉的粒径分布和所占比例（粗细粉混合粉体的体积百分比通常为60%），从而保持其高导热性、低热膨胀系数（CTE）和高机械强度。

DAMMC制备工艺流程（来源：NMIC）

由于金刚石对金属的润湿性较差，复合材料的铝-金刚石界面必须在金刚石和金属基体之间提供机械稳定的结合才能保证热导率。NMIC公司的方案是为金刚石微粉披上薄薄的碳化硅。对表面处理和未处理金刚石复合材料样品进行500℃下1小时的10次循环测试，结果显示这层碳化硅使金刚石微粉得以润湿。

对比试验结果

NMIC采用了挤压铸造渗透生产工艺，这是一种利用外部压力，使液态或半液态金属基体渗入具有增强相的预制件中，并凝固而获得复合材料的方法。该工艺对基体合金的形状、种类和成分没有限制，可广泛用于成分设计。由于复合材料在高压下凝固，降低了对合金润湿性的要求，铸件组织缺陷也较少。结合NMIC的经验，挤压铸造相比其他工艺提供更高压力，这意味着更高的导热系数，同时还能在数秒内实现DAMMC的固化，这极大减少了碳化硅与铝合金反应形成碳化铝的可能（碳化铝在金刚石/铝界面处产生高热阻，并导致吸湿行为，导致导热系数降低，成品在温度或湿度循环过程中更容易降解），而其他工艺往往需要数分钟之久。

左：水刀切割 右：激光切割

以上主体部分的制备之后，还有改善表面粗糙度减少空隙的界面预处理，NMIC采用厚度为0.05 mm至0.1 mm的铝合金蒙皮（非涂层），使表面粗糙度控制在1µm Ra以下直至0.6μm左右，从而便于接下来的金属化镍、金处理（最初的金属化层是化学镀镍，然后是电镀镍，然后是镀金）。最后是切割方案的选择，水刀和激光两者各有特点，水刀切割速度快，但会牺牲边缘锐度和尺寸公差，激光切割则为零件边缘提供更好的清晰度。

国内相关科研进展

近年来我国的研究工作主要集中在对金刚石微粉的表面涂层处理，其中有在2017年哈工大研究团队牵头的采用磁控溅射法制备厚度范围为35-130nm的钨涂层金刚石微粉，再通过真空浸渗法（真空压力渗透是将瓶坯放入模具中，利用真空除去瓶坯中的气体，然后按一定压力将惰性气体注入熔炉，将液态金属挤入模具型腔，渗入模具的孔隙中）制备DAMMC；还有2018年吉林大学研究团队牵头的采用粉末冶金法制备了B₄C涂层金刚石微粉，从而制备出致密复合材料。

粉体圈 启东

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