近日，哈工大從事金剛石/銅復合材料的制備研究人員在材料科學國際期刊《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/銅復合材料憑借其優異的熱導率和可調控的熱膨脹系數而被廣泛關注。隨著先進電子器件發熱密度的急劇升高，金剛石/銅復合材料被寄予厚望，是替代主流的鉬銅、鎢銅等電子封裝材料的有力競爭者。近年來隨著對金剛石/銅復合材料持續不斷的研發，其熱導率已經突破600 W/mK，熱膨脹系數(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異的一類材料。然而，隨著對金剛石/銅復合材料研究的加深，金剛石/銅復合材料暴露出了嚴重缺陷，即抗熱沖擊性能差（熱導率性能隨著熱沖擊循環次數增加而急劇下降），這是該材料所涉及的應用場景無法接受的缺點。

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

       亮點研究

       1.通過金剛石表面鍍鎢并高溫二次煅燒，成功實現金剛石表面刻蝕處理。

       2.刻蝕處理顯著增強了金剛石與銅之間的界面結合強度。

       3.以刻蝕處理后的金剛石為原料制備的金剛石/銅復合材料具有優良的抗熱沖擊性能，經600次熱沖擊循環后，熱導率相比未刻蝕由514W/mK提升至597W/mK，熱導率下降幅值由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

       轉化與應用

       金剛石是自然界熱導率最高的物質，其熱導率高達2000 W/m·K，銅及銅合金具有較高的熱導率（350 W/m·K）及較好的抗彎曲能力，因此，金剛石/銅復合材料在具有較高的力學性能同時還有較高的熱導率。但金剛石與銅的熱膨脹系數差異較大，在熱循環的過程中界面處容易產生較大的熱應力導致界面裂紋與分層，而在航空航天領域與電子封裝領域等，復合材料通常需要在極端溫度變化下長期穩定運行，使得熱疲勞性能成為復合材料得一個很重要性能。未來工業界高導熱金剛石/銅復合材料的使用場景會越來越復雜，熱疲勞性能直接決定了材料的可靠性與使用壽命。

       實驗室自主研發金剛石/銅復合材料系列產品，依托碳真芯材科技有限公司實現金剛石/銅復合材料量產，產能達500萬cm2/年，具有金剛石/銅復合材料鍍覆、成形、加工、全流程工藝技術與生產能力。

實驗室自主研發金剛石/鋁復合材料產品

實驗室自主研發的金剛石/銅復合材料產品