近日，哈工大從事金剛石/銅復(fù)合材料的制備研究人員在材料科學(xué)國(guó)際期刊《Materials Letters》上題為Enhanced Thermal Conductivity and Thermal Shock Resistance in Diamond/Copper Composites through Diamond Surface Etching的研究。

       金剛石/銅復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的熱導(dǎo)率和可調(diào)控的熱膨脹系數(shù)而被廣泛關(guān)注。隨著先進(jìn)電子器件發(fā)熱密度的急劇升高，金剛石/銅復(fù)合材料被寄予厚望，是替代主流的鉬銅、鎢銅等電子封裝材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。近年來(lái)隨著對(duì)金剛石/銅復(fù)合材料持續(xù)不斷的研發(fā)，其熱導(dǎo)率已經(jīng)突破600 W/mK，熱膨脹系數(shù)(0 ℃-100 ℃)可以控制在6-12 ppm/K，理論上是金屬基電子封裝材料里綜合性能最優(yōu)異的一類材料。然而，隨著對(duì)金剛石/銅復(fù)合材料研究的加深，金剛石/銅復(fù)合材料暴露出了嚴(yán)重缺陷，即抗熱沖擊性能差（熱導(dǎo)率性能隨著熱沖擊循環(huán)次數(shù)增加而急劇下降），這是該材料所涉及的應(yīng)用場(chǎng)景無(wú)法接受的缺點(diǎn)。

圖1  (a)未刻蝕金剛石的(100)面；(b)未刻蝕金剛石的(111)面；(c)刻蝕金剛石的(100)面；(d)刻蝕金剛石的(100)面

       亮點(diǎn)研究

       1.通過(guò)金剛石表面鍍鎢并高溫二次煅燒，成功實(shí)現(xiàn)金剛石表面刻蝕處理。

       2.刻蝕處理顯著增強(qiáng)了金剛石與銅之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。

       3.以刻蝕處理后的金剛石為原料制備的金剛石/銅復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能，經(jīng)600次熱沖擊循環(huán)后，熱導(dǎo)率相比未刻蝕由514W/mK提升至597W/mK，熱導(dǎo)率下降幅值由18.2%降低到6.4%。

圖2 (a)未刻蝕鍍鎢金剛石的(100)面；(b)未刻蝕鍍鎢金剛石的(111)面(c)刻蝕鍍鎢金剛石的(100)面；(d)刻蝕鍍鎢金剛石的(100)面；（e）鍍鎢金剛石XRD圖

       轉(zhuǎn)化與應(yīng)用

       金剛石是自然界熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，其熱導(dǎo)率高達(dá)2000 W/m·K，銅及銅合金具有較高的熱導(dǎo)率（350 W/m·K）及較好的抗彎曲能力，因此，金剛石/銅復(fù)合材料在具有較高的力學(xué)性能同時(shí)還有較高的熱導(dǎo)率。但金剛石與銅的熱膨脹系數(shù)差異較大，在熱循環(huán)的過(guò)程中界面處容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力導(dǎo)致界面裂紋與分層，而在航空航天領(lǐng)域與電子封裝領(lǐng)域等，復(fù)合材料通常需要在極端溫度變化下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，使得熱疲勞性能成為復(fù)合材料得一個(gè)很重要性能。未來(lái)工業(yè)界高導(dǎo)熱金剛石/銅復(fù)合材料的使用場(chǎng)景會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，熱疲勞性能直接決定了材料的可靠性與使用壽命。

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實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的金剛石/銅復(fù)合材料產(chǎn)品