如何利用粉末冶金法，制備出高導(dǎo)熱的銅/金剛石復(fù)合材料？

 

發(fā)布日期：[2024/1/19]
 

在電子封裝及航空航天等領(lǐng)域，金屬基散熱器件已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年。隨著器件功率密度的不斷攀升，對電子封裝材料熱導(dǎo)率提出了更高要求。通過將具有高熱導(dǎo)率（2 200 W/(m?K)）、低熱膨脹系數(shù)（(8.6±1)×10-7/K）的金剛石與銅、鋁等金屬復(fù)合，可集成熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)，同時兼具高優(yōu)異力學(xué)性能和加工性能的“金屬+金剛石”復(fù)合材料,從而滿足不同電子封裝的苛刻要求，被視作是第四代電子封裝材料。

金剛石/銅復(fù)合材料有啥優(yōu)勢？

在各類金屬材料中， 銅相比鋁等其他金屬，其熱導(dǎo)率較高(385～400 W/ (m?K) ) ，熱膨脹系數(shù)也相對較低（17×10-6/K），只需添加更少量金剛石增強(qiáng)體,熱膨脹系數(shù)即可與半導(dǎo)體相匹配,并易于獲得更高熱導(dǎo)率，不僅可以滿足當(dāng)今電子封裝的苛刻要求，還具有良好的耐熱、耐蝕與化學(xué)穩(wěn)定性,可在更大程度上滿足高溫、腐蝕環(huán)境等極端服役條件的要求,如核電工程、酸堿及干濕冷熱交替的大氣環(huán)境等。

如何制備？

由于金剛石與銅之間存在高界面能，潤濕性差，產(chǎn)生的界面熱阻較大，阻礙復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提升。因此，在實(shí)際應(yīng)用時，為使材料獲得*佳的綜合性能，除了需要預(yù)先對金剛石表面進(jìn)行金屬化處理或?qū)~基體合金化外，其制備過程也需要綜合考慮金剛石與銅基體的界面結(jié)合問題以及金剛石在銅基體中的分散性問題等多方面因素。

目前制備金剛石/銅復(fù)合材料的方法有很多，例如粉末冶金法、化學(xué)沉積法、機(jī)械合金化法、噴射沉積法、鑄造法等。其中，粉末冶金因?yàn)槠渲苽涔に嚭唵?、制備出的?fù)合材料性能優(yōu)異，已經(jīng)成為其*常用的制備方法之一。這種方式可以將Cu粉和金剛石顆粒通過球磨等混合均勻，再經(jīng)燒結(jié)成型即可制備出微觀組織均勻的復(fù)合材料。作為粉末冶金*關(guān)鍵的步驟，燒結(jié)成型關(guān)系著成品的*終質(zhì)量。目前應(yīng)用于Cu/金剛石復(fù)合材料制備的常用燒結(jié)工藝有：熱壓燒結(jié)、高溫高壓燒結(jié)、放電等離子法燒結(jié)。

01、熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)法，是一種擴(kuò)散焊合成形的方法，作為傳統(tǒng)制備復(fù)合材料的方法，其主要工藝是：將增強(qiáng)體和銅粉混合均勻，裝入特定形狀模具內(nèi)，在大氣、真空或保護(hù)氣氛中，加熱的同時單軸方向施加壓力，使成形和燒結(jié)同時進(jìn)行。由于粉體是在有壓力的情況下燒結(jié)，所以使得粉體的流動性好，材料的致密度較高，可排出粉末中的殘留氣體，從而使金剛石與銅之間可以形成穩(wěn)定而牢固的界面，提高復(fù)合材料的粘結(jié)強(qiáng)度和熱物理性能。

Zhang等通過對金剛石進(jìn)行預(yù)金屬化后，利用熱壓燒結(jié)法制備出了熱導(dǎo)率高達(dá)721 W/(m?K)的銅/金剛石復(fù)合材料。

優(yōu)點(diǎn)：金剛石與銅粉的比例可以根據(jù)實(shí)際需求自由調(diào)控，且作為傳統(tǒng)的復(fù)合材料的制備方法工藝較成熟，制備條件簡單，

缺點(diǎn)：該方法依賴燒結(jié)參數(shù)的控制以及添加活性元素來優(yōu)化界面結(jié)合，同時受制于設(shè)備和模具,并且是軸向單向加壓,制得的材料尺寸較小、形狀較為單一。

02、超高溫高壓燒結(jié)

超高壓高溫法在機(jī)理上跟熱壓燒結(jié)法相似，只是施加的壓力較大，一般為1-10 GPa的壓力。通過較高的溫度和壓力，使混合粉體在短時間內(nèi)快速燒結(jié)成型。為了實(shí)現(xiàn)高壓力，一般采用的設(shè)備為六面頂超高壓壓機(jī)。在立方的高壓腔中，通過六個 面同時施加壓力，腔內(nèi)的粉體同時受 6個面的力，可以得到致密度很高的復(fù)合材料。

Yoshida等在1150～1200℃、4.5 GPa的高溫高壓條件下成功制備出熱導(dǎo)率達(dá)到742 W/(m?K)的金剛石/銅復(fù)合材料。其中，金剛石粒徑為90～110μm、體積分?jǐn)?shù)為70%。

優(yōu)點(diǎn)：致密度高，制備耗費(fèi)時間較短，效率高，在金剛石體積分?jǐn)?shù)較高的情況下，高溫高壓金剛石間直接連接成鍵的現(xiàn)象可帶來超高的熱導(dǎo)率。

缺點(diǎn)：需要特殊的設(shè)備和較高的條件才能實(shí)現(xiàn)，成本昂貴，并不能完全解決金剛石與銅結(jié)合困難的問題。

03、放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)（SPS）是向粉體施加高能的脈沖電流，并施加一定壓力，使顆粒之間發(fā)生放電激發(fā)等離子體，放電產(chǎn)生的高能粒子碰撞顆粒之間的接觸面，可以使顆粒表面活化，實(shí)現(xiàn)超快速致密化燒結(jié)。

淦作騰等對金剛石進(jìn)行了鍍鉻預(yù)處理后，在燒結(jié)溫度為800～1000℃,燒結(jié)壓力為30 MPa,升溫速率為100℃/min,保溫時間為5 min的條件下，制備出了熱導(dǎo)率為503.9 W/(m?K)的金剛石/銅復(fù)合材料。

優(yōu)點(diǎn)：在SPS燒結(jié)的過程中，粉體顆粒間具有主動作用力，所需的燒結(jié)溫度低（通常為800～950℃）、壓力?。?0～80 MPa），時間極短，節(jié)約了能源。

缺點(diǎn)：燒結(jié)過程難以準(zhǔn)確的控制，界面成分、厚度的*控制存在一定難度，制備的復(fù)合材料致密度略低，而且不能制備復(fù)雜的工件。

小結(jié)

金剛石/銅復(fù)合材料不僅具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)（往往高達(dá)600 W/(m?K)），而且具有與電子半導(dǎo)體封裝材料相匹配的膨脹系數(shù)。粉末冶金因?yàn)槠渲苽涔に嚭唵?、制備出的?fù)合材料性能優(yōu)異，已經(jīng)成為其*常用的制備方法之一。但由于仍不能完全解決金剛石與銅之間的界面熱阻問題，且制備形狀復(fù)雜的工件較為困難，限制了其應(yīng)用。未來對高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料的研究，應(yīng)著重改善導(dǎo)熱增強(qiáng)體和基體間的界面結(jié)合和導(dǎo)熱性能（如金剛石的預(yù)金屬化及銅基合金化），從而優(yōu)化復(fù)合材料的綜合導(dǎo)熱性能，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)而高效應(yīng)用高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料。