若何操纵粉末冶金法，制备出高导热的铜/金刚石复合资料？

 

宣布日期：[2024/1/19]
 

在电子封装及航空航天等范畴，金属基散热器件已成长了数十年。跟着器件功率密度的不时爬升，对电子封装资料热导率提出了更高请求。经由进程将具备高热导率（2 200 W/(m•K)）、低热收缩系数（(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、热收缩系数可调，同时兼具高优良力学机能和加工机能的“金属+金刚石”复合资料,从而知足差别电子封装的刻薄请求，被视作是第四代电子封装资料。

金刚石/铜复合资料有啥上风？

在各种金属资料中， 铜比拟铝等其余金属，其热导率较高(385～400 W/ (m•K) ) ，热收缩系数也绝对较低（17×10-6/K），只要增加更少量金刚石加强体,热收缩系数便可与半导体相婚配,并易于取得更高热导率，不只能够知足现今电子封装的刻薄请求，还具备杰出的耐热、耐蚀与化学不变性,可在更大水平上知足低温、侵蚀环境等极度退役前提的请求,如核电工程、酸碱及干湿冷热瓜代的大气环境等。

若何制备？

因为金刚石与铜之间存在高界面能，润湿性差，发生的界面热阻较大，障碍复合资料热导率的晋升。是以，在现实操纵时，为使资料取得*佳的综合机能，除须要事后对金刚石外表停止金属化处置或将铜基体合金化外，其制备进程也须要综合斟酌金刚石与铜基体的界面连系题目和金刚石在铜基体中的分离性题目等多方面身分。

今朝制备金刚石/铜复合资料的体例有良多，比方粉末冶金法、化学堆积法、机器合金化法、放射堆积法、锻造法等。此中，粉末冶金因为其制备工艺简略、制备出的复合资料机能优良，已成为其*经常使用的制备体例之一。这类体例能够将Cu粉和金刚石颗粒经由进程球磨等夹杂平均，再经烧结成型便可制备出微观构造平均的复合资料。作为粉末冶金*关头的步骤，烧结成型干系着制品的*终品质。今朝操纵于Cu/金刚石复合资料制备的经常使用烧结工艺有：热压烧结、低温高压烧结、放电等离子法烧结。

01、热压烧结

热压烧结法，是一种分散焊分解形的体例，作为传统制备复合资料的体例，其首要工艺是：将加强体和铜粉夹杂平均，装入特定外形模具内，在大气、真空或掩护氛围中，加热的同时单轴标的目的施加压力，使成形和烧结同时停止。因为粉体是在有压力的环境下烧结，以是使得粉体的活动性好，资料的致密度较高，可排挤粉末中的残留气体，从而使金刚石与铜之间能够构成不变而安稳的界面，进步复合资料的粘结强度和热物理机能。

Zhang等经由进程对金刚石停止预金属化后，操纵热压烧结法制备出了热导率高达721 W/(m•K)的铜/金刚石复合资料。

长处：金刚石与铜粉的比例能够按照现实须要自在调控，且作为传统的复合资料的制备体例工艺较成熟，制备前提简略，

错误谬误：该体例依靠烧结参数的节制和增加活性元素来优化界面连系，同时受制于装备和模具,并且是轴向单向加压,制得的资料尺寸较小、外形较为单一。

02、超低温高压烧结

超高压低温法在机理上跟热压烧结法类似，只是施加的压力较大，普通为1-10 GPa的压力。经由进程较高的温度和压力，使夹杂粉体在短时候内疾速烧结成型。为了完成高压力，普通接纳的装备为六面顶超高压压机。在立方的高压腔中，经由进程六个 面同时施加压力，腔内的粉体同时受 6个面的力，能够获得致密度很高的复合资料。

Yoshida等在1150～1200℃、4.5 GPa的低温高压前提下胜利制备出热导率到达742 W/(m•K)的金刚石/铜复合资料。此中，金刚石粒径为90～110μm、体积分数为70%。

长处：致密度高，制备花费时候较短，效力高，在金刚石体积分数较高的环境下，低温高压金刚石间间接毗连成键的景象可带来超高的热导率。

错误谬误：须要特别的装备和较高的前提能力完成，本钱高贵，并不能完整处置金刚石与铜连系坚苦的题目。

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，并施加必然压力，使颗粒之间发生放电激起等离子体，放电发生的高能粒子碰撞颗粒之间的打仗面，能够使颗粒外表活化，完成超疾速致密化烧结。

淦作腾等对金刚石停止了镀铬预处置后，在烧结温度为800～1000℃,烧结压力为30 MPa,升温速度为100℃/min,保温时候为5 min的前提下，制备出了热导率为503.9 W/(m•K)的金刚石/铜复合资料。

长处：在SPS烧结的进程中，粉体颗粒间具备自动感化力，所需的烧结温度低（凡是为800～950℃）、压力小（50～80 MPa），时候极短，节俭了动力。

错误谬误：烧结进程难以精确的节制，界面成份、厚度的*节制存在必然难度，制备的复合资料致密度略低，并且不能制备庞杂的工件。

小结

金刚石/铜复合资料不只具备很高的导热系数（常常高达600 W/(m•K)），并且具备与电子半导体封装资料相婚配的收缩系数。粉末冶金因为其制备工艺简略、制备出的复合资料机能优良，已成为其*经常使用的制备体例之一。但因为仍不能完整处置金刚石与铜之间的界面热阻题目，且制备外形庞杂的工件较为坚苦，限定了其操纵。将来对高导热铜基复合资料的研讨，应侧重改良导热加强体和基体间的界面连系和导热机能（如金刚石的预金属化及铜基合金化），从而优化复合资料的综合导热机能，完成经济而高效操纵高导热铜基复合资料。