铜金刚石 热沉材料 铜基金刚石 Cu-Dia材料 高热导率热沉材料

 碳材料具有极高的导热率和极低的热膨胀系数。金刚石是各向同性传热且是天然材料中具有最高热导率的物质。金刚石不仅热导率高达2200 W·m-1·K-1，较低的热膨胀系数1.0-1.2×10-6K-1，而且密度只有3.52 g/cm-3，从理论上来讲是获得高热导率、低热膨胀系数的理想复合材料。随着人造单晶金刚石工艺的成熟，目前已经能够大规模生产质好价廉的金刚石颗粒。铜是金属中价格适中情况下，具有最高热导率的材料（银是金属中导热率最高的，但是价格昂贵），所以铜是一个理想的基体材料，以金刚石作为增强相的铜/金刚石（Cu/diamond）基复合材料在理论上热导率可达1000 W·m-1·K-1，是第三代封装材料的5倍。这类金刚石/金属复合材料被称为第四代电子封装材料。

      金刚石/铜复合材料的综合性能非常适合用于电子封装材料，但实际上金刚石/Cu复合材料应用于生产的实际热导率较低，这主要是由于金刚石/铜复合材料加工技术不成熟及制备工艺复杂所致。综合目前的研究工作，影响金刚石/Cu复合材料热导率的影响因素可以概括为如下几个方面。
1.铜基体的本征热导率
铜基体的杂质量越低，本征热导率就越高，如铜基体中铬含量达到0.1%(at/at)时，热导率降低到260W·m-1·K-1；而在制备复合材料时，不同的界面元素与铜基体接触后有不同的溶解度，一方面，界面元素溶解到基体中使基本本征热导率的下降；另一方面，界面元素溶解在铜基体中后在界面处形成的固溶体或者化合物对热量的传输是不利的。
2.金刚石的本征热导率、体积分数、粒径大小：
一般情况下，金刚石中氮含量越低，热导率越高，晶型越完整，热导率越高；因此应选择晶型完整，氮含量低的金刚石作为复合材料的增强相；除此之外，金刚石表面受高温、催化性元素等影响易转变成导热性差的类石墨相，严重影响金刚石的本征热导率，从而影响复合材料的热导率。
理论上，金刚石的体积分数越高，复合材料的热导率就越高，事实上取决于制备工艺，采用熔渗法制备体积分数为60-65%的金刚石复合材料能够实现较高的热导率；金刚石粒径也是影响复合材料热导率的一个因素，研究发现纳米级金刚石易团聚，制备的复合材料孔隙率高，热导率较低，一般认为100-500μm金刚石复合材料能够实现较高的热导率。
3.界面热导
界面热导是评价复合材料界面结构对提高热导率是否有利的重要标准，因此影响界面热导的因素都决定着复合材料的热导率。
除基体与增强体的本征热导率、增强体含量及尺寸外，复合界面是特定材料体系中决定增强体导热增强效果的关键因素。对于金刚石/Cu复合材料而言，Cu和金刚石的热导率具有其理论局限性（一般分别不高于400和2000W/(m·K）。虽然理论和实验研究均表明，采用高含量、大粒径金刚石在提高复合材料热导率方面具有明显优势，但无限增加金刚石颗粒尺寸（一般不大于400μm）及体积含量（一般不超过70%）并不现实，且会给材料的成型致密化、尺寸精度、表面粗糙度、表面镀金处理及微区应力分布等带来巨大挑战，严重制约产品的成品率与适用性。因此，如何有效降低界面热阻是金刚石/Cu复合材料获得高导热性能的关键。
对复合材料的制备而言，组元之间相互浸润是进行复合的必要先行条件，是影响界面结构及界面结合状态的重要因素。金刚石和Cu的界面互不润湿状况导致界面热阻很高。因此，通过各种技术手段对两者的界面进行改性研究十分关键。目前，主要有两种方法改善金刚石与Cu基之间的界面问题：

1）金刚石表面改性处理，例如在增强相表层镀Mo、Ti、W、Cr等活性元素可改善金刚石界面特性，从而提高其热传导性能。

2）铜基体的合金化处理，在材料的复合加工之前，对金属铜进行预合金化处理，这样可制得热导率普遍较高的复合材料。在铜基体中掺杂活性元素不仅可有效降低金刚石与铜之间的润湿角，还能在反应后于金刚石/Cu界面间生成可固溶于铜基的碳化物层，这样材料界面间存在的多数间隙得到修饰填充，从而提高了导热性能。

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