表面金属化金刚石/铜复合材料导热模型、界面结构与热变形行为研究

随着电子技术的迅猛发展,电子器件不断趋于小型化、多功能化和集成化,高功率电子器件在运行过程中会产生大量的热量,温度的升高以及芯片与封装材料间热失配都将显著降低器件的工作效率和使用寿命。为有效解决器件的散热问题,迫切需要具有高热导率和低热膨胀系数的热管理材料。近年来,国内外对金刚石/铜复合材料开展了大量研究,通过复合具有高热导的金刚石和具有良好塑性的铜,可实现高热导率与热膨胀系数可调,在集成电路、新能源以及交通运输领域体现了巨大的应用潜力。然而在金刚石/铜复合材料的应用研究中仍然存在诸多尚待解决的问题,比如导热模型往往忽略粒径的实际分布而导致预测精度降低;为改善界面结合需要对金刚石表面金属化处理,但金刚石表面金属化演变机制仍不清晰;此外,由于金刚石具有超高硬度,增加了金刚石/铜界面结构表征的难度,也导致金刚石/铜复合材料的热变形困难。基于以上问题,本文结合高斯分布函数和微分有效介质模型对颗粒增强金属基复合材料的热导率进行预测;通过微结构分析揭示了金刚石表面金属化演变机制,并给出金刚石不同晶面与铜形成的界面结构;采用放电等离子烧结制备金刚石/铜复合材料,结合热/力模拟方法系统研究了金刚石/铜复合材料的热变形行为,为高性能金刚石/铜复合材料的研发提供科学依据。主要研究结果如下:(1)微分有效介质模型计算表明金刚石/铜复合材料的热导率随着界面过渡层厚度的增加而降低,当界面过渡层厚度小于630 nm时,碳化物对复合材料热导率的促进作用符合以下顺序:WC>ZrC>Cr_3C_2>TiC>Mo_2C;当厚度大于630 nm时符合以下顺序:WC>ZrC>Cr_3C_2>Mo_2C>TiC。利用高斯分布粒径取代平均粒径,并通过高斯函数拟合金刚石的实际粒径分布,在DEM模型的基础上,提出高斯分布-微分有效介质算法和高斯混合分布-微分有效介质算法,分别用于预测单目数和双目数金刚石增强金属基复合材料的热导率,结合文献报道数据验证了算法的正确性和高预测精度。此外,计算结果表明金刚石粒径的分散度越小,金刚石/铜复合材料的热导率越大;(2)利用微结构分析揭示了金刚石表面金属化演变机制。通过调节金刚石与Cr的反应温度和反应时间控制碳化物Cr_3C_2的形成,统计分析Cr_3C_2的生长过程,结果表明金刚石表面金属化经历弥散生长、择优生长、完全金属化转变和择优开裂四个阶段,并通过W和MoO_3验证了该演变机制的通用性。相同反应条件下,金刚石(100)表面碳化物择优生长;在过高反应温度下,金刚石(111)表面生成的碳化物择优开裂。利用物相检测和表面形貌分析确定了通过Cr、W和MoO_3实现金刚石表面完全金属化转变的条件分别为900℃/60 min、1050℃/60min和1000℃/60 min;(3)利用放电等离子烧结在920℃、50 MPa压力下烧结10 min制备50 vol.%金刚石/铜复合材料,表面镀Cr、W和Mo金刚石/铜复合材料的热导率分别为413 W/mK、392 W/mK和403 W/mK,热膨胀系数分别为11.7×10~(-6) K~(-1)、13×10~(-6) K~(-1)和12.2×10~(-6) K~(-1)。镀Cr金刚石/铜复合材料的界面结构分析表明金刚石(100)/铜界面由金刚石、Cr_3C_2和铜三部分构成,而金刚石(111)/铜界面则由金刚石、非晶碳、Cr_3C_2和铜四部分构成。非晶碳原子的存在将引起界面处金刚石晶格和碳化物晶格畸变并引入界面残余应力,导致金刚石(111)表面碳化物层择优开裂;(4)基于热压缩测试,构建了金刚石/铜复合材料的热变形本构方程和热加工图,研究了金刚石/铜复合材料的热变形行为,并确定了复合材料的安全变形区与失稳区参数。当挤压比为10:1时,分别在850℃/0.036 s~(-1)、880℃/0.036 s~(-1)条件下成功制备了热挤压金刚石/铜复合材料和热挤压镀Cr金刚石/铜复合材料。热挤压后,镀Cr金刚石/铜复合材料接近完全致密,热导率由413 W/mK提高至487 W/mK,热膨胀系数由11.7×10~(-6) K~(-1)降低至10.5×10~(-6) K~(-1)。未表面处理和表面镀Cr金刚石/铜复合材料的热变形激活能分别为206 kJ/mol和238kJ/mol,根据界面TEM检测可知,通过Cr_3C_2实现了金刚石和铜的界面结合,大量位错在金刚石颗粒周围聚集,增加了金刚石/铜复合材料的变形难度,导致热变形激活能升高。本文所提出的金刚石表面金属化-放电等离子烧结-热挤压变形制备工艺,可为高热导率、低热膨胀系数金刚石/铜复合材料的研发提供更多研究思路。