金刚石表面处理对金刚石/铝复合材料组织性能的影响

电子器件的高集成度迅速提升导致电子器件产生不可避免的热量,若想提高电子产品性能及可靠性,必须对热管理材料散热性提出更高要求。Kovar合金、WCu合金以及SiC/Al分别是典型的三代热管理材料,但其热导率最高不超过220 W/m·K。传统热管理材料已无法满足日益发展的现代封装技术对散热的要求,材料的复合化已成必然趋势,新型高导热复合材料克服传统热管理材料的不足,以金刚石颗粒增强金属基复合材料为代表的第四代热管理材料在热物理性能方便表现强势,其中Diamond/Al复合材料在轻量化领域获得了不可取代的地位。本研究通过真空微蒸发镀Ti、Cr以及化学气相沉积CVD镀W对金刚石进行表面金属化处理,探寻金刚石表面镀覆的最佳工艺参数；研究了铝对镀覆金刚石薄膜的润湿性影响;采用真空压力浸渗工艺制备Diamond(X)/Al复合材料,研究浸渗温度以及保温时间对复合材料组织性能的影响规律。对比分析了未镀覆金刚石与镀覆金刚石所制备复合材料热导率、热膨胀系数以及机械性能等方面差异；利用界面热阻模型,计算三种不同镀层的理论热导率。研究结果表明,选择合理镀层以及最佳镀覆工艺可有效改善基体铝与增强体之间的界面结合,相反,若镀层的引入破坏了增强体与基体的完整性,复合材料热导率不但得不到提高,反而会引入恶性界面,降低复合材料整体热物理性能。780℃真空微蒸发镀钛100 min镀层较为理想,在960℃浸渗保温30min后,Diamond(Ti)/Al复合材料的热导率高达517 W/m-K,相对裸金刚石制备的复合材料有大幅度提升。真空微蒸发镀Cr温度高于镀Ti,在810℃镀覆120 min, Cr镀层约厚1.3μm。在960℃压力浸渗,其复合材料断口表现为穿晶断裂且界面选择性有所改善。Diamond(Cr)/Al复合材料热导率实验测量值为269 W/m-K,并未表现出良好的导热性能,结合EDS元素面分布分析可知,金刚石表面Cr元素在基体中扩散明显,过高的固溶度降低了基体热导率,从SEM扫描图像中可看出,Diamond(Cr)/Al复合材料的基体不再呈现连续性,韧窝不明显,基体有大量空隙存在,基体空隙无形中增大了界面热阻。在900℃下,采用CVD工艺对金刚石进行表面镀钨90 min,金刚石表面能够形成一层均匀的WC镀层,厚度约为1μm。研究表明,随浸渗温度的提高,Diamon(W)/Al复合材料界面结合情况得到改善,在1150℃下,复合材料断口出现部分金刚石穿晶断裂,测试热导率约为143 W/m·K,通过理论模型与实际测试值对比得知,Diamond(W)/Al复合材料界面热阻大幅度提升,与良好的界面结合情况相悖。通过观察复合材料断口形貌可知,W在基体铝中的扩散程度也相对较高,并且镀层与金刚石颗粒结合强度并不理想。高温CVD镀W造成金刚石表面烧灼,增强体中的空隙破坏了金刚石颗粒的完整性,大大削弱了金刚石本身热导率。因此,采用表面处理对复合材料进行改性时,镀层厚度以及种类选择合理则有助于提高复合材料导热性能,相反,镀层选择不合理不仅不会改善界面结合情况,反而引入额外热阻,引入恶性界面造成更不利影响。