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如何利用粉末冶金法，制備出高導熱的銅/金剛石復合材料？
發布日期：[2024/1/19]
在電子封裝及航空航天等領域，金屬基散熱器件已經發展了數十年。隨著器件功率密度的不斷攀升，對電子封裝材料熱導率提出了更高要求。通過將具有高熱導率（2 200 W/(m?K)）、低熱膨脹系數（(8.6±1)×10-7/K）的金剛石與銅、鋁等金屬復合，可集成熱導率高、熱膨脹系數可調，同時兼具高優異力學性能和加工性能的“金屬+金剛石”復合材料,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/銅復合材料有啥優勢？
在各類金屬材料中， 銅相比鋁等其他金屬，其熱導率較高(385～400 W/ (m?K) ) ，熱膨脹系數也相對較低（17×10-6/K），只需添加更少量金剛石增強體,熱膨脹系數即可與半導體相匹配,并易于獲得更高熱導率，不僅可以滿足當今電子封裝的苛刻要求，還具有良好的耐熱、耐蝕與化學穩定性,可在更大程度上滿足高溫、腐蝕環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，產生的界面熱阻較大，阻礙復合材料熱導率的提升。因此，在實際應用時，為使材料獲得*佳的綜合性能，除了需要預先對金剛石表面進行金屬化處理或將銅基體合金化外，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/銅復合材料的方法有很多，例如粉末冶金法、化學沉積法、機械合金化法、噴射沉積法、鑄造法等。其中，粉末冶金因為其制備工藝簡單、制備出的復合材料性能優異，已經成為其*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，再經燒結成型即可制備出微觀組織均勻的復合材料。作為粉末冶金*關鍵的步驟，燒結成型關系著成品的*終質量。目前應用于Cu/金剛石復合材料制備的常用燒結工藝有：熱壓燒結、高溫高壓燒結、放電等離子法燒結。
01、熱壓燒結
熱壓燒結法，是一種擴散焊合成形的方法，作為傳統制備復合材料的方法，其主要工藝是：將增強體和銅粉混合均勻，裝入特定形狀模具內，在大氣、真空或保護氣氛中，加熱的同時單軸方向施加壓力，使成形和燒結同時進行。由于粉體是在有壓力的情況下燒結，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定而牢固的界面，提高復合材料的粘結強度和熱物理性能。
Zhang等通過對金剛石進行預金屬化后，利用熱壓燒結法制備出了熱導率高達721 W/(m?K)的銅/金剛石復合材料。
優點：金剛石與銅粉的比例可以根據實際需求自由調控，且作為傳統的復合材料的制備方法工藝較成熟，制備條件簡單，
缺點：該方法依賴燒結參數的控制以及添加活性元素來優化界面結合，同時受制于設備和模具,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
超高壓高溫法在機理上跟熱壓燒結法相似，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快速燒結成型。為了實現高壓力，一般采用的設備為六面頂超高壓壓機。在立方的高壓腔中，通過六個 面同時施加壓力，腔內的粉體同時受 6個面的力，可以得到致密度很高的復合材料。
Yoshida等在1150～1200℃、4.5 GPa的高溫高壓條件下成功制備出熱導率達到742 W/(m?K)的金剛石/銅復合材料。其中，金剛石粒徑為90～110μm、體積分數為70%。
優點：致密度高，制備耗費時間較短，效率高，在金剛石體積分數較高的情況下，高溫高壓金剛石間直接連接成鍵的現象可帶來超高的熱導率。
缺點：需要特殊的設備和較高的條件才能實現，成本昂貴，并不能完全解決金剛石與銅結合困難的問題。
03、放電等離子燒結
放電等離子燒結（SPS）是向粉體施加高能的脈沖電流，并施加一定壓力，使顆粒之間發生放電激發等離子體，放電產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，實現超快速致密化燒結。
淦作騰等對金剛石進行了鍍鉻預處理后，在燒結溫度為800～1000℃,燒結壓力為30 MPa,升溫速率為100℃/min,保溫時間為5 min的條件下，制備出了熱導率為503.9 W/(m?K)的金剛石/銅復合材料。
優點：在SPS燒結的過程中，粉體顆粒間具有主動作用力，所需的燒結溫度低（通常為800～950℃）、壓力小（50～80 MPa），時間極短，節約了能源。
缺點：燒結過程難以準確的控制，界面成分、厚度的*控制存在一定難度，制備的復合材料致密度略低，而且不能制備復雜的工件。
小結
金剛石/銅復合材料不僅具有很高的導熱系數（往往高達600 W/(m?K)），而且具有與電子半導體封裝材料相匹配的膨脹系數。粉末冶金因為其制備工藝簡單、制備出的復合材料性能優異，已經成為其*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，且制備形狀復雜的工件較為困難，限制了其應用。未來對高導熱銅基復合材料的研究，應著重改善導熱增強體和基體間的界面結合和導熱性能（如金剛石的預金屬化及銅基合金化），從而優化復合材料的綜合導熱性能，實現經濟而高效應用高導熱銅基復合材料。
金剛石/銅復合材料有啥優勢？
在各類金屬材料中， 銅相比鋁等其他金屬，其熱導率較高(385～400 W/ (m?K) ) ，熱膨脹系數也相對較低（17×10-6/K），只需添加更少量金剛石增強體,熱膨脹系數即可與半導體相匹配,并易于獲得更高熱導率，不僅可以滿足當今電子封裝的苛刻要求，還具有良好的耐熱、耐蝕與化學穩定性,可在更大程度上滿足高溫、腐蝕環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，產生的界面熱阻較大，阻礙復合材料熱導率的提升。因此，在實際應用時，為使材料獲得*佳的綜合性能，除了需要預先對金剛石表面進行金屬化處理或將銅基體合金化外，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/銅復合材料的方法有很多，例如粉末冶金法、化學沉積法、機械合金化法、噴射沉積法、鑄造法等。其中，粉末冶金因為其制備工藝簡單、制備出的復合材料性能優異，已經成為其*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，再經燒結成型即可制備出微觀組織均勻的復合材料。作為粉末冶金*關鍵的步驟，燒結成型關系著成品的*終質量。目前應用于Cu/金剛石復合材料制備的常用燒結工藝有：熱壓燒結、高溫高壓燒結、放電等離子法燒結。
01、熱壓燒結
熱壓燒結法，是一種擴散焊合成形的方法，作為傳統制備復合材料的方法，其主要工藝是：將增強體和銅粉混合均勻，裝入特定形狀模具內，在大氣、真空或保護氣氛中，加熱的同時單軸方向施加壓力，使成形和燒結同時進行。由于粉體是在有壓力的情況下燒結，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定而牢固的界面，提高復合材料的粘結強度和熱物理性能。
Zhang等通過對金剛石進行預金屬化后，利用熱壓燒結法制備出了熱導率高達721 W/(m?K)的銅/金剛石復合材料。
優點：金剛石與銅粉的比例可以根據實際需求自由調控，且作為傳統的復合材料的制備方法工藝較成熟，制備條件簡單，
缺點：該方法依賴燒結參數的控制以及添加活性元素來優化界面結合，同時受制于設備和模具,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
超高壓高溫法在機理上跟熱壓燒結法相似，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快速燒結成型。為了實現高壓力，一般采用的設備為六面頂超高壓壓機。在立方的高壓腔中，通過六個 面同時施加壓力，腔內的粉體同時受 6個面的力，可以得到致密度很高的復合材料。
Yoshida等在1150～1200℃、4.5 GPa的高溫高壓條件下成功制備出熱導率達到742 W/(m?K)的金剛石/銅復合材料。其中，金剛石粒徑為90～110μm、體積分數為70%。
優點：致密度高，制備耗費時間較短，效率高，在金剛石體積分數較高的情況下，高溫高壓金剛石間直接連接成鍵的現象可帶來超高的熱導率。
缺點：需要特殊的設備和較高的條件才能實現，成本昂貴，并不能完全解決金剛石與銅結合困難的問題。
03、放電等離子燒結
放電等離子燒結（SPS）是向粉體施加高能的脈沖電流，并施加一定壓力，使顆粒之間發生放電激發等離子體，放電產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，實現超快速致密化燒結。
淦作騰等對金剛石進行了鍍鉻預處理后，在燒結溫度為800～1000℃,燒結壓力為30 MPa,升溫速率為100℃/min,保溫時間為5 min的條件下，制備出了熱導率為503.9 W/(m?K)的金剛石/銅復合材料。
優點：在SPS燒結的過程中，粉體顆粒間具有主動作用力，所需的燒結溫度低（通常為800～950℃）、壓力小（50～80 MPa），時間極短，節約了能源。
缺點：燒結過程難以準確的控制，界面成分、厚度的*控制存在一定難度，制備的復合材料致密度略低，而且不能制備復雜的工件。
小結
金剛石/銅復合材料不僅具有很高的導熱系數（往往高達600 W/(m?K)），而且具有與電子半導體封裝材料相匹配的膨脹系數。粉末冶金因為其制備工藝簡單、制備出的復合材料性能優異，已經成為其*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，且制備形狀復雜的工件較為困難，限制了其應用。未來對高導熱銅基復合材料的研究，應著重改善導熱增強體和基體間的界面結合和導熱性能（如金剛石的預金屬化及銅基合金化），從而優化復合材料的綜合導熱性能，實現經濟而高效應用高導熱銅基復合材料。