中國粉體網(wǎng)訊  自20世紀(jì)80年代開始，電子元器件中電路的集成程度以每年1.5倍甚至更快的速度進(jìn)行增長。集成電路的集成程度越來越高使電流越來越高，在工作中產(chǎn)生的熱量越來越大。如果散熱不及時，就會造成電子元器件的熱損壞并降低使用壽命。

所以，為了滿足日益增長的電子元器件散熱要求，具有高導(dǎo)熱性能的電子封裝材料被不斷地研究和優(yōu)化。

金剛石/銅復(fù)合材料，圖片來源：元素六

01.金剛石與銅

傳統(tǒng)的電子封裝材料主要有陶瓷、塑料、金屬及其合金。BeO、AlN等陶瓷材料具有和半導(dǎo)體元器件相匹配的低熱膨脹系數(shù)，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率較高，但其制備工藝復(fù)雜，加工較困難，尤其是BeO有劇毒且成本高。塑料封裝材料具有成本低、質(zhì)量輕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，但塑料封裝材料熱導(dǎo)率差，耐高溫性差，電性能與半導(dǎo)體熱膨脹系數(shù)匹配一般。單一的Cu、Ag、Al等金屬具有較高的熱導(dǎo)率，但熱膨脹率過高。Cu-W，Cu-Mo等合金材料熱導(dǎo)率又較低。因此，為保障電子元器件的正常使用以及延長使用壽命，迫切需要研制熱導(dǎo)率高且熱膨脹率適宜的新型封裝材料。

各種增強(qiáng)體性能指標(biāo)

金剛石是目前已知的在自然界中存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)，莫氏硬度達(dá)到10，同時也是自然界中導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)之一，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)200～2200W/(m·K)。

金剛石微粉，來源：元素六

銅的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、延展性都較好，熱導(dǎo)率為401W/(m·K)，遠(yuǎn)高于鋁、鉬等金屬，并且價格低廉，被廣泛應(yīng)用于集成電路領(lǐng)域。

綜合金剛石和銅的導(dǎo)熱性能，以銅為基體、金剛石為增強(qiáng)體的金剛石/銅復(fù)合材料被很多人認(rèn)為是未來主流的高導(dǎo)熱電子封裝材料。

02.制備方法有講究

金剛石/銅常用的制備方法有：粉末冶金法、高溫高壓法、熔體浸滲法、放電等離子燒結(jié)法、冷噴涂法等。

單粒徑金剛石/銅復(fù)合材料不同制備方法工藝與性能對比

（1）粉末冶金法

該工藝基本原理是將金剛石顆粒和Cu基粉末按照預(yù)備的含量均勻混合，在混合的過程中可摻雜一定含量的粘結(jié)劑和成形劑，將混合粉體及摻雜劑壓制成型之后，通過燒結(jié)最終得到高導(dǎo)熱金剛石/Cu復(fù)合材料。

燒結(jié)設(shè)備

粉末冶金法工藝簡單，成本較低，是一種較成熟的燒結(jié)工藝。但該方法所得的粉體致密度不高、內(nèi)部組織不均，且制得樣品尺寸有限、形狀簡單，難以直接制得熱學(xué)性能優(yōu)異的熱導(dǎo)材料。

（2）高溫高壓法

高溫高壓法主要依靠六面頂壓機(jī)提供的高溫高壓對金剛石和銅進(jìn)行燒結(jié)。所提供的高溫達(dá)到了銅的熔點(diǎn)，使得銅成為熔融狀態(tài)，另外由于金剛石的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在高溫高壓的作用下，熔融銅充分填充到金剛石網(wǎng)格結(jié)構(gòu)周圍，形成了結(jié)合緊密的復(fù)合材料。

六面頂壓機(jī)

雖然高溫高壓法制備的復(fù)合材料致密度很高，導(dǎo)熱性能好，但是它對模具的要求很高，且難以制備尺寸較大的產(chǎn)品，成本較高，很難在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。

（3）熔體浸滲法

熔體浸滲顧名思義是將熔融態(tài)的金屬基體滲入增強(qiáng)體中即金剛石顆粒的間隙中，然后冷卻凝固制備復(fù)合材料。熔體浸滲法分為壓力、無壓浸滲2種。壓力、無壓浸滲均通過高溫使固態(tài)的銅達(dá)到熔點(diǎn)熔化。壓力浸滲通過施加外來的壓力使熔化的銅浸入金剛石的間隙中，無壓浸滲則是依靠金剛石顆粒自身的毛細(xì)現(xiàn)象驅(qū)動熔融銅滲入。用這種方法制成的復(fù)合材料熱導(dǎo)率均在446W/(m·K)以上。

（4）放電等離子燒結(jié)法

放電等離子燒結(jié)法(SPS)是將金剛石和銅的混合粉末裝入石墨模具中，利用脈沖電流產(chǎn)生火花放電溫度對粉末進(jìn)行均勻加熱，同時在加熱過程中施加一定的壓力，實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)完成復(fù)合材料。它是一種新型、快速、高效的制備方法。

放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)示意圖

放電等離子燒結(jié)法效率很高，但該法對金剛石體積分?jǐn)?shù)要求較高，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)高于65%時，燒結(jié)制備的復(fù)合材料性能大幅下降。

（5）冷噴涂法

冷噴涂沉積法是通過把兩種混好的粉末放入到爐膛中，經(jīng)過金屬熔融、液態(tài)金屬霧化過程后噴射沉積在基體板上得到復(fù)合材料。

目前采用冷噴射沉積技術(shù)來制備金剛石復(fù)合材料的文獻(xiàn)不多，主要受設(shè)備限制，因此還有許多問題有待解決，如采用噴射沉積法制備出來的金剛石復(fù)合材料，其表面平整度是否可控，其熱導(dǎo)率能否滿足電子封裝要求等。

03.重要的事情說三遍：改性！改性！改性！

對復(fù)合材料的制備而言，組元之間相互浸潤是進(jìn)行復(fù)合的必要先行條件，是影響界面結(jié)構(gòu)及界面結(jié)合狀態(tài)的重要因素。金剛石和Cu的界面互不潤濕狀況導(dǎo)致界面熱阻很高。因此，通過各種技術(shù)手段對兩者的界面進(jìn)行改性研究十分關(guān)鍵。目前，主要有兩種方法改善金剛石與Cu基之間的界面問題：（1）金剛石表面改性處理；（2）銅基體的合金化處理。

改性示意圖：(a)金剛石表面直接鍍覆；(b)基體合金化

（1）金剛石表面改性

在增強(qiáng)相表層鍍Mo、Ti、W、Cr等活性元素可改善金剛石界面特性，從而提高其熱傳導(dǎo)性能。通過燒結(jié)可使以上元素與金剛石粉體表層的碳反應(yīng)形成碳化物過渡層，這樣優(yōu)化了金剛石與金屬基之間的潤濕狀態(tài)，并且鍍層在高溫下可防止金剛石結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

（2）銅基體合金化

在材料的復(fù)合加工之前，對金屬銅進(jìn)行預(yù)合金化處理，這樣可制得熱導(dǎo)率普遍較高的復(fù)合材料。在銅基體中摻雜活性元素不僅可有效降低金剛石與銅之間的潤濕角，還能在反應(yīng)后于金剛石/Cu界面間生成可固溶于銅基的碳化物層，這樣材料界面間存在的多數(shù)間隙得到修飾填充，從而提高了導(dǎo)熱性能。

小結(jié)

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，電子芯片產(chǎn)生的熱量日益增加，傳統(tǒng)封裝材料由于低熱導(dǎo)率或高熱膨脹系數(shù)的原因，已經(jīng)很難滿足使用要求。而金剛石顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱性和可調(diào)控的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的電子封裝材料之一。

參考來源：

[1]吳新志.金剛石表面處理對金剛石/銅復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

[2]衛(wèi)陳龍.金剛石表面金屬化及金剛石/銅復(fù)合材料微波燒結(jié)工藝研究

[3]陳衛(wèi)等.金剛石/銅復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用現(xiàn)狀

[4]彭卓豪等.高導(dǎo)熱金剛石/Cu復(fù)合材料研究進(jìn)展

[5]徐薇等.電子封裝用高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合材料的研究進(jìn)展

[6]孫龍.金剛石/銅復(fù)合材料的制備及其性能研究

（中國粉體網(wǎng)/山川）

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