金刚石/铜基复合材料的界面设计及导热性能研究

电子技术功率密度的不断增加使得电子器件工作温度升高,如何高效散热成为限制其发展的关键问题。传统热管理材料已不能满足电子封装的发展要求,开发兼备更高导热、热膨胀可调的新型热管理材料势在必行,金刚石/铜基复合材料由于其耐热、耐蚀、高导热、低膨胀的优势已成为研究热点。金刚石与铜不润湿、不反应,直接复合难以实现界面结合,导热性能不佳,通过金刚石表面金属化或铜基体合金化引入界面改性层已被证实可有效解决这一问题。用于界面改性的元素种类及改性层厚度多样,加之实验影响因素复杂,难以根据文献报道结果确定最佳界面层。针对金刚石/铜基复合材料界面设计与界面改性问题,本论文首先通过理论计算优化了金刚石/铜界面改性的方向,进而通过金刚石溶胶镀钨实验证实了界面改性的有效性,探讨了镀层微观结构对界面结合状态及复合材料热导率的影响。主要得到以下结论:1、基于声失配理论、延伸的扩散失配模型及有效介质模型建立了界面层物理模型,系统评估了不同界面改性层对金刚石/铜界面热导和复合材料热导率的影响。研究表明,理想界面改性层应具有纳米尺度的厚度、高本征热导率和高声子速度、在铜中溶解度低。随界面改性层厚度增加,复合材料热导率降低,尤其对于本征热导率低的界面改性层,如ZrC、TiC、Mo_2C、Cr_3C_2、Cr_7C_3;界面改性层碳化物转化影响导热性能,部分碳化的界面改性层可兼备非碳化物的高本征热导率和碳化物的高声子速度,有利于获得高热导率,但对于碳化物本征热导率较低的Mo、Cr等,应严格控制碳化物转化;综合考虑各方面因素,W-WC界面改性层是制备高导热金刚石/铜基复合材料的理想选择。2、界面改性层的微观结构是影响复合材料导热性能的关键因素,存在难以兼顾改性层完整性和厚度的问题。为此,本研究以金刚石表面溶胶镀钨为例,从金刚石表面状态出发优化界面改性层结构。通过真空热处理增加金刚石表面缺陷,制备了纳米尺度、均匀性良好的钨镀层,并研究了其对金刚石/铜基复合材料热导率的影响。研究表明,真空热处理在金刚石表面引入蚀坑,键合状态发生变化,sp~2所占比例增加,缺陷密度增加。金刚石经真空热处理后再溶胶镀钨对提高金刚石/铜基复合材料热导率具有积极作用,与直接复合样品相比,热导率最高可提高59.5%,达到453W/mK。