Page 40 - 精细化工2019年第10期
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·2006·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                  第 36 卷

            的成像质量将大大提升，对实现小尺度、高精度的                             600 W/(m·K)且热胀系数可调，其中最高热导率高达
            高分辨对地观测具有重要的价值和意义。                                 930 W/(m·K)。该种材料若能投入应用，将推动更大
                 实际上，高导热金刚石/铜复合材料在航空航天                         功率、更强性能的电子器件的发展，在功率条件不
            领域有着十分广泛的应用前景，如用于大功率行波                             变的情况下可以大大提高设备的使用寿命。尤其在
            管的夹持杆、有源相控阵天线的散热基板、卫星离                             军工、航空航天等追求性能和可靠性的领域，更是
            子推进器的中和器散热、霍尔推进器的外圈、星载                             具有巨大的发展潜力。
            大规模集成电路和 CPU 的封装材料、大功率 LED                             目前，金刚石/铜高导热复合材料的研究重点在
                       [1]
            照明散热等 。在大功率 LED 照明中，金刚石/铜被                         于提高复合材料致密度，改善界面结合，优化工艺
            认为是一种具有竞争力的新型散热材料，Fan 等                     [71]   投入实际应用。未来该种新型材料研究方向包括以
            在金刚石/铜复合材料表面镀上了 10 μm 的银镀层，                        下几个方面：
            制成近净形散热器替代大功率 LED 的散热器，使内                             （1）添加活性元素所形成的碳化物层的热导率
            部散热器的重量减少 35%以上，符合空间应用小而                           明显低于金刚石、铜的热导率，在修饰界面的同时
            轻的要求，并且可使 LED 的热阻和结温分别降低                           也会增加界面热阻，或者在烧结过程中扩散进入金
            10.5%和 33.3%，如果未来能够投入实际应用，将大                       刚石和铜，造成高导热材料原本的优良热学性能下
            大延长 LED 器件的使用寿命，提升设备的可靠性。                          降。所以，如何选择活性元素的种类以及控制活性
                 金刚石/铜复合材料性能优越，在应用过程中，                         元素的添加量达到最优的效果是研究的重点。
            除了制备复杂、成本较高阻碍了其发展之外，复合                                （2）对添加活性元素所形成的碳化物的分布、
            材料表面的镀覆、焊接性能，也影响着工程应用中                             厚度和成分进行控制。若碳化物层的分布不均匀，
            实际的导热性能，也是研究的重点。金刚石绝缘并                             界面间有区域未镀上碳化物层，则界面间会存在间
            且与不易被金属及焊料所浸润，而复合材料表面往                             隙或是机械结合的情况，或有的区域碳化物层过厚，
            往裸露着大量金刚石，所以通常需要镀覆一层可焊                             则会因为碳化物本身的热导率太低导致界面热阻大
            性镀层才能投入使用          [72] 。金刚石性质稳定，铜却比               大增加。并且碳化物组成复杂，若能控制生成本身
            较活泼，容易出现铜粗化过度金刚石却粗化不到位                             热导率较高并且与金刚石、铜界面结合情况均较好
            的情况，传统强酸强碱的粗化方法往往不可行。另                             的碳化物层，复合材料的导热性能亦能提高。
            外金刚石/铜复合材料的表面粗糙度往往较大，焊接
                                                                  （3）高温高压条件下金刚石会在未石墨化的情
            可靠性较低。所以，金刚石/铜的应用从粗化、镀覆                            况下团聚成键，形成金刚石-金刚石高效率导热通
            等预处理再到焊接都需要进一步研究。帅和平                      [73] 将
                                                               道，后续研究应当关注如何设计工艺，在对复合材
            5 g 亚硝酸钠、5 g 氢氧化钠、0.3 g 三乙醇胺、0.4 g
                                                               料致密度影响不大的前提下，使这种金刚石直接结
            过氧化碳酰胺和 0.5 g 高铁酸钾溶于 88.8 g 去离子水
                                                               合的结构尽可能多，从而大大提升复合材料的导热
            中，研制了适用于金刚石/铜基复合材料的 JG-01 型
                                                               性能。如果寻找到可行的方法，两种活性元素添加
            粗化液，粗化效果优于传统粗化液，更有利于后续                             方式中铜的预合金化可能是更优方案。
            化学镀镍的进行。北京科技大学的褚玉娴等                     [74] 采用
                                                                  （4）金刚石硬度高、不导电，金刚石/铜复合材
            分步化学镀镍加热处理的工艺，成功提升了镀层结
                                                               料的后续加工较为困难。现有的高导热性能的金刚
            合强度，可以焊接的样品尺寸也从 10  mm×10  mm
                                                               石/铜复合材料大多成本较高，且制作出的材料尺寸
            提高到 10  mm×60  mm，复合材料的可焊性得到了
            提高。牛通等       [72] 采用磁控溅射、电镀等方法在金刚                  有限、形状单一，因此，发展近净成形技术十分关
                                                               键；另外，复合材料表面粗糙度高，且有裸露的金
            石/铜表面获得了附着力、可焊性良好的 Au-Ni-Cu-Ti
                                                               刚石，后续的焊接性能难以保证。这些问题需要在
            复合膜层，并且在后续焊接过程中无鼓泡、脱落等
                                                               未来得到解决，否则金刚石/铜复合材料难以真正运
            膜层失效现象出现。
                                                               用到实际的工业化生产中。
            5    总结与展望
                                                               参考文献：
                 金刚石/铜复合材料不仅具有很高的导热系数，                         [1]   Zhang  Xiaoyu  (张晓宇),  Xu  Min  (许旻),  Cao  Shengzhu  (曹生珠).
                                                                   Research  progress  on  interfacial  modification  of  diamond  copper
            而且具有与电子半导体封装材料相匹配的膨胀系
                                                                   composites with high thermal conductivity[J]. Materials Review (材
            数，在航空航天、军工、电子封装和散热等领域具                                 料导报), 2018, 32(2): 443-452.
            有广阔的发展前景。目前，用于电子封装或散热材                             [2]   Deng Anqiang (邓安强), Fan Jingbo (樊静波), Tan Zhanqiu (谭占
                                                                   秋), et al. Progress of diamond/Cu composite material for electronic
            料的热导率最高也仅为 200  W/(m·K)左右，而现有
                                                                   packaging[J]. Diamond & Abrasives Engineering (金刚石与磨料磨
            研究中的金刚石/铜复合材料的热导率往往已达到                                 具工程), 2010, 30(5): 56-61.
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