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如何利用粉末冶金法,制备出高导热的铜/金刚石复合材料?


 

发布日期:[2024/1/19]
 
在电子封装及航空航天等领域,金属基散热器件已经发展了数十年。随着器件功率密度的不断攀升,对电子封装材料热导率提出了更高要求。通过将具有高热导率(2 200 W/(m•K))、低热膨胀系数((8.6±1)×10-7/K)的金刚石与铜、铝等金属复合,可集成热导率高、热膨胀系数可调,同时兼具高优异力学性能和加工性能的“金属+金刚石”复合材料,从而满足不同电子封装的苛刻要求,被视作是第四代电子封装材料。

金刚石/铜复合材料有啥优势?

在各类金属材料中, 铜相比铝等其他金属,其热导率较高(385~400 W/ (m•K) ) ,热膨胀系数也相对较低(17×10-6/K),只需添加更少量金刚石增强体,热膨胀系数即可与半导体相匹配,并易于获得更高热导率,不仅可以满足当今电子封装的苛刻要求,还具有良好的耐热、耐蚀与化学稳定性,可在更大程度上满足高温、腐蚀环境等极端服役条件的要求,如核电工程、酸碱及干湿冷热交替的大气环境等。

如何制备?

由于金刚石与铜之间存在高界面能,润湿性差,产生的界面热阻较大,阻碍复合材料热导率的提升。因此,在实际应用时,为使材料获得*佳的综合性能,除了需要预先对金刚石表面进行金属化处理或将铜基体合金化外,其制备过程也需要综合考虑金刚石与铜基体的界面结合问题以及金刚石在铜基体中的分散性问题等多方面因素。

目前制备金刚石/铜复合材料的方法有很多,例如粉末冶金法、化学沉积法、机械合金化法、喷射沉积法、铸造法等。其中,粉末冶金因为其制备工艺简单、制备出的复合材料性能优异,已经成为其*常用的制备方法之一。这种方式可以将Cu粉和金刚石颗粒通过球磨等混合均匀,再经烧结成型即可制备出微观组织均匀的复合材料。作为粉末冶金*关键的步骤,烧结成型关系着成品的*终质量。目前应用于Cu/金刚石复合材料制备的常用烧结工艺有:热压烧结、高温高压烧结、放电等离子法烧结。

01、热压烧结

热压烧结法,是一种扩散焊合成形的方法,作为传统制备复合材料的方法,其主要工艺是:将增强体和铜粉混合均匀,装入特定形状模具内,在大气、真空或保护气氛中,加热的同时单轴方向施加压力,使成形和烧结同时进行。由于粉体是在有压力的情况下烧结,所以使得粉体的流动性好,材料的致密度较高,可排出粉末中的残留气体,从而使金刚石与铜之间可以形成稳定而牢固的界面,提高复合材料的粘结强度和热物理性能。

Zhang等通过对金刚石进行预金属化后,利用热压烧结法制备出了热导率高达721 W/(m•K)的铜/金刚石复合材料。

优点:金刚石与铜粉的比例可以根据实际需求自由调控,且作为传统的复合材料的制备方法工艺较成熟,制备条件简单,

缺点:该方法依赖烧结参数的控制以及添加活性元素来优化界面结合,同时受制于设备和模具,并且是轴向单向加压,制得的材料尺寸较小、形状较为单一。

02、超高温高压烧结

超高压高温法在机理上跟热压烧结法相似,只是施加的压力较大,一般为1-10 GPa的压力。通过较高的温度和压力,使混合粉体在短时间内快速烧结成型。为了实现高压力,一般采用的设备为六面顶超高压压机。在立方的高压腔中,通过六个 面同时施加压力,腔内的粉体同时受 6个面的力,可以得到致密度很高的复合材料。

Yoshida等在1150~1200℃、4.5 GPa的高温高压条件下成功制备出热导率达到742 W/(m•K)的金刚石/铜复合材料。其中,金刚石粒径为90~110μm、体积分数为70%。

优点:致密度高,制备耗费时间较短,效率高,在金刚石体积分数较高的情况下,高温高压金刚石间直接连接成键的现象可带来超高的热导率。

缺点:需要特殊的设备和较高的条件才能实现,成本昂贵,并不能完全解决金刚石与铜结合困难的问题。

03、放电等离子烧结

放电等离子烧结(SPS)是向粉体施加高能的脉冲电流,并施加一定压力,使颗粒之间发生放电激发等离子体,放电产生的高能粒子碰撞颗粒之间的接触面,可以使颗粒表面活化,实现超快速致密化烧结。

淦作腾等对金刚石进行了镀铬预处理后,在烧结温度为800~1000℃,烧结压力为30 MPa,升温速率为100℃/min,保温时间为5 min的条件下,制备出了热导率为503.9 W/(m•K)的金刚石/铜复合材料。

优点:在SPS烧结的过程中,粉体颗粒间具有主动作用力,所需的烧结温度低(通常为800~950℃)、压力小(50~80 MPa),时间极短,节约了能源。

缺点:烧结过程难以准确的控制,界面成分、厚度的*控制存在一定难度,制备的复合材料致密度略低,而且不能制备复杂的工件。

小结

金刚石/铜复合材料不仅具有很高的导热系数(往往高达600 W/(m•K)),而且具有与电子半导体封装材料相匹配的膨胀系数。粉末冶金因为其制备工艺简单、制备出的复合材料性能优异,已经成为其*常用的制备方法之一。但由于仍不能完全解决金刚石与铜之间的界面热阻问题,且制备形状复杂的工件较为困难,限制了其应用。未来对高导热铜基复合材料的研究,应着重改善导热增强体和基体间的界面结合和导热性能(如金刚石的预金属化及铜基合金化),从而优化复合材料的综合导热性能,实现经济而高效应用高导热铜基复合材料