中國粉體網(wǎng)訊  隨著5G通信、人工智能、新能源電動汽車及航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，芯片級和模塊級電子設(shè)備向著微型化、多功能化、高功率密度方向發(fā)展，極大地增加了電子設(shè)備的熱量積累，使元器件的熱流密度持續(xù)攀升，散熱問題成為制約電子技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。

電子封裝材料作為半導(dǎo)體芯片與集成電路連接外部電子系統(tǒng)的重要橋梁，其直接決定著芯片計(jì)算能力的發(fā)揮程度。從而影響整體電子器件的性能水平，因此成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展中所面臨的關(guān)鍵材料問題。

01 金剛石/金屬復(fù)合材料

傳統(tǒng)的Invar、Kovar合金熱導(dǎo)率低，鎢銅、鉬銅合金雖然具有較低的熱膨脹系數(shù)，但熱導(dǎo)率低、密度高，而金屬基復(fù)合材料能夠?qū)⒔饘倭己玫膶?dǎo)熱性與增強(qiáng)體的低膨脹系數(shù)結(jié)合起來，且材料性能具有可調(diào)控性，是一種常用的熱管理材料。

熱管理電子封裝材料的性能

金剛石，一種穩(wěn)定的共價鍵立方晶系晶體，因其均勻且高度有序的結(jié)構(gòu)，不僅賦予了它超高的硬度和穩(wěn)定性，還賦予了它卓越的熱導(dǎo)率，高達(dá)2000W/mK，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料。盡管金剛石具有這些優(yōu)異性能，但高成本和脆性等問題限制了其單一應(yīng)用。因此，通過與金屬等材料的復(fù)合，既保留了金剛石的優(yōu)異性能，又降低了成本，提高了實(shí)用性，成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，目前，金屬基金剛石復(fù)合材料主要有金剛石/銅、金剛石/鋁和金剛石/鎂復(fù)合材料等。

（1）金剛石/銅：銅基體本身具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，在電子器件的熱沉材料領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場，能夠有效驅(qū)散熱量，使設(shè)備維持低溫運(yùn)行狀態(tài)，確保電子元件穩(wěn)定工作。

金剛石/銅復(fù)合材料，來源：元素六

（2）金剛石/鋁：通過合適的制備工藝，金剛石顆粒與鋁基體之間可以實(shí)現(xiàn)良好界面結(jié)合，從而提高復(fù)合材料的整體性能，同時鋁的密度較低，有利于減輕整體結(jié)構(gòu)的重量，適用于航空航天等領(lǐng)域的熱管理場合中。

（3）金剛石/鎂：與鋁基體相比，鎂基體復(fù)合材料的密度更低，同時強(qiáng)度也略勝一籌。但是金剛石與鎂的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，這可能導(dǎo)致復(fù)合材料在溫度變化時產(chǎn)生熱應(yīng)力，目前該復(fù)合材料研究仍處于起步階段。

02 制備方法

金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法很多，傳統(tǒng)方法如高溫高壓燒結(jié)法、真空熱壓燒結(jié)法、放電等離子體燒結(jié)法、熔滲法等，新型方法如增材制造等。

（1）高溫高壓燒結(jié)法

高溫高壓燒結(jié)法，通過高溫高壓下的燒結(jié)過程，使粉末狀原料的顆粒之間發(fā)生相互擴(kuò)散、熔解、再結(jié)晶等，最終形成致密的晶體結(jié)構(gòu)。該方法易制備出高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、耐高溫、耐摩擦的金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，但存在難度大、成本高、技術(shù)要求高等問題，可通過控制工藝參數(shù)來獲得物理性能更好的復(fù)合材料。

高溫高壓燒結(jié)法示意圖

（2）真空熱壓燒結(jié)法

真空熱壓燒結(jié)法具有設(shè)備簡單和燒結(jié)工藝易操作等優(yōu)點(diǎn)，其基本原理是將粉末置于高溫高壓的真空環(huán)境中，在溫度和壓力作用下，使樣品發(fā)生塑性變形而燒結(jié)成形。

熱壓法工藝流程示意圖

真空熱壓燒結(jié)法可以實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、時間等參數(shù)的精確控制，便于獲得導(dǎo)熱率更高的復(fù)合材料，且制備的復(fù)合材料通常具有優(yōu)異的均勻性、良好的界面結(jié)合性能、較高的材料密度等，但也存在制備設(shè)備昂貴、制備周期長、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。

（3）放電等離子體燒結(jié)法

放電等離子體燒結(jié)法通過低壓電流以較高溫度對原料表面進(jìn)行連續(xù)加熱，利用等離子體特性實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，其原理是通過電導(dǎo)熱、電磁熱、電離子熱等來實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)，燒結(jié)效果好，原料利用率高，且能耗低、成本低。不過，采用放電等離子體燒結(jié)法時，較難實(shí)現(xiàn)對金剛石金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確控制，通常顆粒尺寸較大，分布不均勻，在復(fù)雜形狀、大尺寸部件的制備方面存在較大限制。

放電等離子體燒結(jié)法制備金剛石/Cu復(fù)合材料

（4）熔滲法

熔滲法是通過高溫使金屬基體處于熔融狀態(tài)，利用毛細(xì)作用或外加壓力使基體與金剛石結(jié)合的工藝過程。熔滲法可以通過調(diào)整熔體的成分和參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料成分、微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，因而能得到界面結(jié)合強(qiáng)度較高的金剛石金屬基復(fù)合材料，能夠承受較大的拉剪應(yīng)力，有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

（5）增材制造

增材制造（AM），俗稱3D打印技術(shù)，是一種以粉末、液體、絲材等為原料，基于零件的三維模型，逐點(diǎn)-逐線-逐層堆積的材料成形技術(shù)。目前報(bào)道的用于制備金剛石/金屬復(fù)合材料的增材制造技術(shù)主要基于粉末原料，包括激光選區(qū)熔化、激光熔覆、冷噴涂等，為金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制造和應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。

激光選區(qū)熔化成形復(fù)合材料示意圖

03 界面改性

金剛石與金屬基體之間的界面相容性較差，聲子在界面處散射嚴(yán)重，導(dǎo)致復(fù)合材料的熱導(dǎo)率受限，界面改性設(shè)計(jì)是改善界面結(jié)合、降低界面熱阻的有效途徑。為了提高金剛石/金屬復(fù)合材料的熱物理性能，可以通過以下界面改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

不同界面改性制備的金剛石/金屬復(fù)合材料熱導(dǎo)率圖

（1）增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度

制備工藝優(yōu)化：通過調(diào)整復(fù)合材料制備的溫度、壓力、時間等工藝參數(shù)，可以提高金剛石/金屬復(fù)合材料的致密度，增強(qiáng)界面結(jié)合，進(jìn)而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度。

改變金剛石顆粒表面狀態(tài)：通過改變表面粗糙度和表面化學(xué)狀態(tài)影響金剛石/金屬復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和吸附性能等。

（2）引入界面過渡層

基體金屬合金化：向基體中加入適量合金元素能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的內(nèi)界面吸附，有效降低液態(tài)合金內(nèi)界面張力。

金剛石顆粒表面金屬化：利用化學(xué)鍍、真空微蒸發(fā)鍍、鹽浴鍍及磁控濺射等工藝在金剛石表面鍍覆金屬層的方式降低表面張力促進(jìn)潤濕。

引入功能性過渡層：在金剛石與金屬基體之間引入一層或多層過渡層材料，如碳化物（如TiC、WC）、氮化物等。這些過渡層材料具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地減少聲子在界面處的散射，提高熱導(dǎo)率。

小結(jié)

金剛石/金屬復(fù)合材料通過融合金剛石的極限導(dǎo)熱性與金屬的工藝適應(yīng)性，已成為突破下一代電子器件熱管理瓶頸的關(guān)鍵材料。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，金剛石散熱材料的成本正在逐漸降低，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。未來，金剛石/金屬復(fù)合材料有望在高性能計(jì)算、5G通信、新能源汽車等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為AI產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

參考來源

[1] 陳貞睿等.高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料的制備與研究進(jìn)展

[2] 杜小東等.芯片用金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究進(jìn)展

[3] 李詩怡等.增材制造金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及其應(yīng)用（上）

[4] 王輝等.增材制造金剛石顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究進(jìn)展

[5] 祝平等.金剛石/金屬復(fù)合材料界面改性研究進(jìn)展

[6] 張靜龍.高導(dǎo)熱金剛石/金屬基復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)對界面熱導(dǎo)的調(diào)控機(jī)制研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）

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