Page 39 - 精细化工2019年第10期
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第 10 期 戴书刚，等: 金刚石/铜高导热复合材料制备工艺的研究进展 ·2005·
形成的碳化物的导热性能不能太差，并且向金刚石和 时，温度改善幅度可高达 24%；并且，实验结果表
铜的扩散尽量少，避免降低高导热材料的导热性能； 明，金锡焊接初期不易施焊，延长加热时间也可实
形成的碳化物层对金刚石和铜的结合情况都良好并且 现金锡焊接，焊接过程无鼓泡现象，金刚石/铜复合
厚度要尽量薄、分布要尽量均匀以减少界面热阻。例 材料具有较好的可镀覆性和可焊性。之后，张梁娟
如，张晓宇等 [66] 通过添加不同含量的稀土 Nd，改善 等 [69] 又进一步研究了金刚石/铜复合材料在微波功
界面处的碳化物相组成、含量和分布，达到减少缺陷、 率组件热设计中的应用可行性，除了测试散热性能
修饰界面、提高金刚石/铜复合材料性能的目的。 外，还对复合材料进行了表面镀镍-镀金处理，并进
行模拟芯片的焊接，图 10 是该研究中焊接层的声学
4 金刚石/铜复合材料的应用 显微镜扫描图像，图中焊接层呈均匀黑色或灰色，表
明焊接质量优良。焊接层剪切力测试结果表明，该
金刚石/铜复合材料最早作为芯片热沉基板材
金刚石/铜复合材料的性能高于国军标关于剪切强
料问世，随后在高热流密度的设备器件的散热领域
度的要求。除此之外，还进行了振动、冲击等环境
被寄予厚望。目前，国内外对于金刚石/铜复合材料
实验，从各个方面验证了金刚石/铜复合材料在雷达
的制备日趋成熟，许多实际应用方面的研究也渐渐
微波功率组件热设计中应用的可行性。
出现，下文对金刚石/铜复合材料的应用进行简要
介绍。
在电子封装散热领域，金刚石/铜复合材料具有
高导热系数以及与 Si、GaAs、GaN、SiC 等半导体
材料相匹配的热膨胀系数，一直被认为是新一代热
管理材料的代表。季兴桥等 [67] 建立了大功率 GaN 芯
片封装模型，如图 9 所示。GaN 芯片与金刚石/铜热
沉采用金锡共晶焊接，热沉与硅铝合金采用锡铅焊
接。仿真结果表明，在其他条件相同的情况下，采
用金刚石铜热沉比采用铜钼铜热沉可使得 GaN 芯片
温度降低 14 ℃；为了验证上述仿真结果，采用相同
的大功率 GaN 芯片施加一样的偏置，无射频激励， 图 10 金刚石/铜与模拟芯片焊接的声学显微镜扫描图像 [69]
在相同的散热条件下采用红外热成像仪测试芯片温 Fig. 10 Acoustic microscope scanning image of diamond/
copper welding with analog chip [69]
度，金刚石/铜载体芯片最高温度为 97 ℃，铜钼铜
载体芯片最高温度为 109 ℃。而在微电子领域，芯
在空间应用领域，高性能的红外探测器需要在
片最高温度每降低 10 ℃，芯片的寿命就可以提高一
低温下工作，并且要保持工作面温度均匀，因此，要
倍，金刚石/铜复合材料如果投入应用，将对散热要
求冷端接口材料具有较好的低温导热性能，并且与
求越来越高的电子产业有极大的推动作用。
基体材料热膨胀系数匹配，目前常用的钼铜材料已
经难以满足长线列拼接红外探测器高分辨成像的要
求。郭宏 [70] 从上述需求出发，成功地制备了适用于
100~350 K 的高导热、低膨胀的金刚石/铜复合材料，
室温下热导率为 650 W/(m·K)，100 K 时热导率为
–6
-1
600 W/(m·K)，热膨胀系数为 5.0×10 K ，能够满
足长线列拼接红外探测器冷端接口材料的使用性能
图 9 GaN 芯片封装模型 [67] 要求。并且考虑到空间环境下设备处于向日面和背
Fig. 9 GaN chip packaging model [67]
日面的温度交变以及脉冲管制冷机有开、关机的情
在军用领域方面，军用电子装备功率密度越来 况，对高低温交变载荷作用下金刚石/铜复合材料的
越高，散热要求也随之提升。张梁娟等 [68] 对金刚石/ 热疲劳行为进行了研究。在经历了高低温循环和冲
铜复合材料在裸芯片封装中的基板材料上的应用进 击后，金刚石/铜复合材料的热导率、抗弯强度略有
行了研究，分别通过实验和仿真分析了金刚石/铜复 降低，室温热膨胀系数略有升高，但仍然保持在较
合材料的镀覆性、焊接性以及作为基板材料的热性 高水平，满足长线列拼接红外探测器冷端接口的使
能。通过热仿真发现，在其他条件相同的情况下， 用要求。若将金刚石/铜复合材料替代钼铜应用到长
当基板材料从 Mo/Cu 合金变为金刚石/铜复合材料 线列拼接红外探测器冷端接口材料上，红外探测器
