【摘 要】
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随着微电子行业的迅速发展,电子设备的功率密度显著提高,高效散热成为下一代高性能大功率电子设备应用的关键条件之一。金刚石的热导率远高于各类材料,且热膨胀系数低,而Cu作为导热系数最高的金属材料之一被广泛应用于各种散热器件;两者结合的金刚石颗粒增强Cu基复合材料（Diamond/Cu）是电子器件高效散热重要候选材料。但是,由于金刚石与Cu不润湿,不良的结合界面导致该复合材料的热导率远低于理论值,实现金
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随着微电子行业的迅速发展,电子设备的功率密度显著提高,高效散热成为下一代高性能大功率电子设备应用的关键条件之一。金刚石的热导率远高于各类材料,且热膨胀系数低,而Cu作为导热系数最高的金属材料之一被广泛应用于各种散热器件;两者结合的金刚石颗粒增强Cu基复合材料（Diamond/Cu）是电子器件高效散热重要候选材料。但是,由于金刚石与Cu不润湿,不良的结合界面导致该复合材料的热导率远低于理论值,实现金刚石-铜界面调控和优化具有重要科学意义和技术价值。本研究采用熔盐镀和磁控溅射法分别对金刚石颗粒进行表面改性,并在生成的碳化物镀层上化学镀Cu,随后通过热压烧结制备了界面结合好、热性能优异的Diamond/Cu复合材料。熔盐镀采用NaCl-KCl-NaF三元熔盐作为反应介质,将金刚石颗粒与Ti粉分别在650℃～800℃处理60 min,研究该三元熔盐处理温度对金刚石镀层形成的影响。在三元熔盐中,650℃反应即可在金刚石表面形成Ti C镀层,镀层优先于金刚石的（100）晶面形成,主要因为金刚石不同晶面上的表面能不同造成的。当熔盐温度升高至700℃,金刚石颗粒各晶面均形成Ti C层,细小连续的晶粒完全覆盖了金刚石颗粒表面。随着反应温度的提高到800℃,镀层晶粒长大,镀层厚度增加,产生严重的开裂,乃至剥落。主要是因为较高温度下加快金刚石与镀层金属的反应速率。采用磁控溅射的方法在金刚石表面沉积均匀的金属单质钛层,该镀层均匀致密,没有裂纹、凹坑等缺陷。将金刚石颗粒在500℃热处理30 min,金刚石表面的钛层转化为Ti C镀层。镀层的金刚石颗粒化学镀20 min后,其表面形成一层均匀致密的Cu层,金刚石的增重率约为15%。改性后的金刚石颗粒和Cu粉混合后在1000℃/50 MPa热压烧结60 min制备50～65vol.%的Diamond/Cu复合材料。当金刚石体积分数不超过60%,复合材料的相对密度都大于99%,表明了良好的致密度。金刚石表面改性后的Diamond/Cu复合材料的TC明显高于未改性的复合材料。采用熔盐法和磁控溅射法改性60 vol.%的Diamond/Cu复合材料达到了最高的热导率,分别为495.5 W·m-1·K-1和476.7 W·m-1·K-1,由于烧结工艺的限制,会低于H-J模型和DEM模型计算复合材料的理论热导率。AMM模型计算其界面热阻1.5362～1.8695×10-7 m~2·K·W-1。复合材料的CTE随着金刚石体积分数的增加而降低,熔盐法和磁控溅射法改性的60 vol.%的Diamond/Cu复合材料在50℃～100℃的CTE均为5.86～7.64×10-6 K-1,接近于半导体芯片的CTE。Diamond/Cu复合材料在室温下的CTE接近于Kerner理论曲线,表明了金刚石能够抑制基体铜RT～300℃变化时的尺寸改变。
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