摘 要

由于电子元器件高度集成，器件散热问题成为电子封装领域亟待解决的难题。兼具低密度和高热导率的金刚石/铝复合材料在航空航天领域具有呈现出巨大的技术优势，己经在卫星电池基板、海量数据处理器散热板等领域取得了较为成功的应用。近来，金刚石/铝复合材料的制备品质、组织演化和界面调控成为研究重点。

本课题采用等离子活化烧结法（PAS）制备金刚石/铝复合材料，研究金刚石体积分数和烧结温度对复合材料热导率的影响。并运用扫描电镜、激光导热系数测试、XRD物相分析等多种测试手段来表征金刚石/铝复合材料的结构和性能。

论文主要研究了金刚石体积分数和烧结温度对金刚石/铝复合材料导热性能的影响。

研究结果表明：在630℃下烧结的完全粘附样品的热导率远高于1450℃同组分烧结的完全脱粘样品的热导率，且致密度更高，材料性能更优良。金刚石在高温下，容易发生氧化转变成热导率差的石墨，铝也会和碳发生反应生成Al₃C₄，对复合材料的热导率产生严重影响.

本文的特色：使用了等离子活化烧结法进行实验，对实验失败或成功的结果都进行了详细的分析。

关键词：金刚石/铝复合材料；等离子活化烧结法；热导率

Abstract

As the degree of integration of electronic components becomes higher, the heat dissipation problem of devices has become an urgent problem to be solved. Diamond/aluminum composite materials with low density and high thermal conductivity have great technical advantages in the aerospace field. They have been successfully applied in satellite battery substrates and mass data processor heat sinks. Recently, the preparation quality, microstructure evolution and interface control of diamond/aluminum composites have become the focus of research.

In this paper, plasma-activated sintering method was used to prepare diamond/aluminum composites by plasma activated sintering (PAS). The effects of diamond volume fraction and sintering temperature on the thermal conductivity of composites were investigated. The structure and properties of diamond/aluminum composites were characterized by SEM, XRD phase analysis and laser thermal conductivity test.

This paper mainly studies the effect of diamond volume fraction and sintering temperature on the thermal conductivity of diamond/aluminum composites.

The results show that under high temperature conditions, diamond is easily oxidized into graphite with poor thermal conductivity, which will have a serious impact on the intrinsic thermal conductivity of diamond. The interface bonding quality directly affects the thermal conductivity. The thermal conductivity of the sample adhered at 630°C is much higher than that of the fully debonded sample sintered at 1450°C, and the density is higher, and the mechanical properties of the material are also better.

The characteristics of this paper: the experiment was carried out using the plasma activated sintering method, and the successful and unsuccessful results of the experiment were analyzed in detail.

Key Words：Diamond/aluminum composite; plasma activated sintering; thermal conductivity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电子封装材料概述 1

1.2.1 电子封装材料的分类 1

1.2.2 电子封装材料的发展趋势 1

1.3 高导热金属基复合材料的研究进展 2

1.3.1 碳纤维增强金属基复合材料 2

1.3.2 鳞片石墨增强金属基复合材料 3

1.3.3 纳米碳增强金属基复合材料 3

1.3.4 金刚石增强金属基复合材料 3

1.4 金刚石/铝复合材料 3

1.4.1 金刚石的结构 4

1.4.2 金刚石的性能与应用 4

1.4.3 铝的性能与应用 4

1.5 金刚石/铝复合材料的制备方法 4

1.5.1 高温高压法 4

1.5.2 热压烧结法 5

1.5.3 挤压铸造法 5

1.5.4 放电等离子烧结法 5

1.5.5 等离子活化烧结法 6

1.6 研究背景、意义及内容 6

1.6.1 研究的目的与意义 6

1.6.2 研究内容 6

第2章 实验工艺 7

2.1 实验原材料 7

2.1.1 金刚石 7

2.1.2 铝 7

2.1.3 Mg₂Si 8

2.2实验设备 9

2.3 实验工艺流程 9

2.3.1 制样过程 9

2.3.2 烧结过程 11

2.3.3 磨床加工 12

2.3.4 切割加工 12

2.4 试验方法 13

2.4.1 复合材料致密度测试 13

2.4.2 复合材料物相分析 13

2.4.3 复合材料显微组织观察 13

2.4.4 复合材料的热导率测试 13

第3章 金刚石/铝复合材料的结构和性能研究 14

3.1 金刚石/铝复合材料的物相结构 14

3.2 金刚石/铝复合材料的断面形貌 15

3.3 金刚石/铝复合材料的致密度 16

3.4 复合材料热导率的影响因素 17

3.4.1 界面热导 18

3.4.2 金刚石的本征热导率 18

3.4.3 金刚石的体积分数 19

3.5 金刚石/铝复合材料的热导率 19

第4章 结论与展望 21

参考文献 22

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 引言

随着现代电子设备的快速发展，电子元件的集成度越来越高，散热量也越来越强。在使用大功率器件的过程中，温度过高而无法正常使用，电子元器件的散热已成为电子工业发展中的技术难题之一。例如，对于车载产品的数字传输设备，现有的铝合金结构难以满足散热要求，新一代红外探测器需要在热端和冷端保持均匀的温度，面积大，需要具有优异性能的散热器来解决问题，这是目前面临的主要瓶颈。

传统的电子封装材料，如塑料，金属和陶瓷等，具有导热系数低，密度高的缺点，不能满足现代电子器件对包装材料散热的高功率要求，将兼有了两种或多种优良性能的材料复合，制备出满足电子封装领域需求的复合材料将成为未来电子封装材料的发展趋势。

金刚石是自然界中具有最高导热性的材料，金属Al具有低成本，低密度和低热膨胀系数等优点。因为金刚石/铝复合材料结合了金刚石的高导热性和金属的低热膨胀系数，故适用于电子封装。

1.2 电子封装材料概述

电子封装基片材料可以用来托载电子器件，是支撑元器件间相互连接的底座电子元件中的一种。伴随着现代微电子技术快速发展，电子元件工作产生的热量大大增加，高功率器件工作时温度升高会使部分元件失效，器件精度也会被影响。因此散热问题成为制约电子元件的效率和性能的关键，而研究具有高热导率和优良性能的材料成为电子封装领域的当务之急^[1-4]。

1.2.1 电子封装材料的分类

电子封装领域对基片材料有较高要求，即具有优良的散热性能和热导率，较高的气密性、较低的热扩散系数，主要可以分为塑料、金属、金属基复合材料和陶瓷这几类。

由于塑料价格低，制备工艺简单，易生产，在目前和将来都将在电子封装基片材料中占较大比例。而由于塑料导热性能和电性能不够优越，气密性和可靠性差，有些场合只能使用其他材料。而金属材料热导率高，但有价格高、热膨胀系数过高的问题，对电子器件的可靠性不利。陶瓷材料综合性能比前两者要好，有较高的热导率和适中的线膨胀系数，但其工艺复杂，制备要求高，可用于需要优良性能基片材料的军事设备领域、航空领域和微电子器件领域。主要影响陶瓷封装基片材料性能的因素是陶瓷材料制备工艺，可以通过研究制出热导率高、性能优良的基片材料。

1.2.2 电子封装材料的发展趋势

近年来，随着电子器件的快速发展，传统的塑料、金属和陶瓷都不再能满足现代大功率电子器件的高散热量对封装材料的散热要求，制备出将各类传统封装材料的优良性能结合起来的复合材料，使其满足高要求的工业生产，将成为未来电子封装材料的发展趋势。

新型金属基封装材料要求有较低的热膨胀系数、优良的导热性能以及适宜的的综合性能。高导热金属基复合材料应运而生，在体系中加入低膨胀相，保留基体合金和增强体的高热导率，降低复合材料线膨胀系数的同时保持高导热特性^[3-4]。例如第三代第四代热管理复合材料，在电子产品和热控领域有着至关重要的作用。

1.3 高导热金属基复合材料的研究进展

高热导金属基复合材料一般选用铝、铜等高热导率的金属作为基体合金，选用碳化硅、碳纤维、金刚石、石墨等作为增强体制备复合材料。下表列举了部分热管理金属基复合材料的性能和厂家。

表1.1 商用电子封装金属基复合材料^[5]

材料	热导率W/(mbull;K)	热膨胀系数10-6/K		生产厂家
SiC/Al	~200	8.0	CPS技术有限公司
Cf/Al	xy:230 z:120	xy:4 z:24	MMCC有限公司
Cf//Cu	xy:300 z:230	xy:7 z:16	MMCC有限公司
Diamond/Ag	650	6.7	Plansee SE有限公司
Diamond/Cu	470	6.4	Plansee SE有限公司
Diamond/Al	350~650	~7.5	MER有限公司

下面对碳纤维、鳞片石墨、碳纳米管、金刚石增强等金属基复合材料进行分述。

1.3.1 碳纤维增强金属基复合材料

（1）C_f/Cu 复合材料

铜较难形成强界面结合，且与碳纤维间不发生反应，难润湿。向体系中添加钛元素可以增强界面结合，在碳纤维表面生产出了碳化钛。得到复合材料的热导率约为 120-210 W/(mbull;K)。根据文献，斯托塞尔采用热压法制备该复合材料，利用阴极磁控溅射法沉积铜于阴极表面，得到了了450 W/(mbull;K)的比较理想的导热性能的金属基复合材料^[6]。

（2）C_f/Al 复合材料

碳纤维和铝容易发生反应：Al C→Al₄C₃ ，有利于界面的润湿，但反应发生过多会增大界面热阻。可通过控制材料的制备工艺以抑制C和Al之间的反应。由参考文献中，Ting 使用热导率高达1951 W/(mbull;K)的碳纤维得到了热导率为 640 W/(mbull;K)的C_f/Al复合材料^[7]。该高导热复合材料具有重量轻、热膨胀系数较小、比强度高和比刚度高的特点。可将C_f/Al 复合材料应用在定向传热应用，例如哈勃望远镜的波导、太空望远镜和太空天线以及导航系统^[8-9]。采用复合材料C_f/Al的纵向的热导率为 319W/(mbull;K)^[10]。

1.3.2 鳞片石墨增强金属基复合材料

鳞片石墨增强复合材料的热导率和鳞片的取向因子有关，另外，鳞片石墨的尺寸、体积分数、基体合金等都会对热导率产生影响。由于该金属基复合材料具有各向异性，实现其高定向排列成为研究重点。因鳞片石墨增强金属基复合材料在垂直方向力学性能过低，所以研究受到限制。由Thomas Hutsch制备的鳞片石墨增强铝、铜、钨复合材料的热导率在平面上分别为300、550、440W/(mbull;K)^[11]。该复合材料具有可加工性，适合工业生产，又有较优良的平面热物理性能，适用于对力学性能有要求的热导领域。

1.3.3 纳米碳增强金属基复合材料

碳纳米管、石墨烯等具有极高的热导率，该复合材料具有优异的力学性能和物理性能，因此，以这两种材料作增强体的金属基复合材料已成为现在的研究热点。然而，小尺寸材料容易导致大量的界面引入和团簇、获得高体积分数增强体材料成为难题，增强体在金属基体中的分散和定向排列是目前面临的难题。近来的发展来看，该类复合材料不具备人们期望的热物理性能，关于这类复合材料的研究也集中于力学性能方面^[12-14]。

1.3.4 金刚石增强金属基复合材料

Diamond/Al复合材料作为第四代电子封装材料，线性膨胀系数和高导热系数与衬底半导体匹配，理论上可以满足大功率电子元器件的散热要求。

该复合材料是有着很大应用前景的先进电子封装材料。虽然存在加工性能差的缺点，但得益于金刚石产业的不断发展，近年来，金刚石/金属基复合材料的成形技术也得到了广泛的研究。金刚石作为一种具有良好的热物理性能的金属，与铝结合在一起，理论上可以获得优异的导热性能。

（1）金刚石/铜复合材料

Diamond与Cu的发生反应由于不易形成强界面结合、它不易润湿而反应很难发生，通过金刚石表面的金属化或铜基体的合金化来调节界面结合是必要的。在制备复合材料时，当温度高于900℃时，金刚石容易发生氧化和石墨化，导致其导热系数下降，因此，应严格控制金刚石颗粒制备过程中的高温保留期^[15-17]。目前，diamond/Cu 复合材料的热导率为610-920W/(mbull;K)^[18-20]。

（2）金刚石/铝复合材料

金刚石具有超高热导率兼具低密度的diamond/Al复合材料在航空航天领域具有呈现出巨大的技术优势，己经在卫星电池基板、海量数据处理器散热板等领域取得了较为成功的应用。近来，diamond/Al复合材料的制备品质、组织演化和界面调控成为研究重点。

1.4 金刚石/铝复合材料

金刚石/铝复合材料已被日本、美国、英国等发达国家用于对质量有严格要求的航空电子设备、军用便携计算机等领域中。国外对该复合材料的研究较早，该材料制备过程中的主要问题是如何实现金刚石与铝良好的界面结合。

1.4.1 金刚石的结构