供稿|張 超，張 楊，劉 娜，朱國峰

先進高導(dǎo)熱鋁/金剛石復(fù)合材料及其導(dǎo)-散熱部件制備技術(shù)

供稿|張 超，張 楊，劉 娜，朱國峰

內(nèi)容導(dǎo)讀

先進電子產(chǎn)品已經(jīng)滲透至國計民生的每個角落，而隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，散熱問題正迅速成為限制眾多產(chǎn)業(yè)繼續(xù)進步的瓶頸，因此金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料成為世界范圍內(nèi)的研發(fā)熱點，尤其是Al/diamond復(fù)合材料。依靠北京科技大學(xué)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓氣體輔助熔滲技術(shù)，相關(guān)研究團隊成功解決了Al/diamond復(fù)合材料兩相界面優(yōu)化及可控性問題，制備獲得熱導(dǎo)率達到750 (W·m-1·K-1)以上的復(fù)合材料，達到世界領(lǐng)先水平；同時配合近終成型技術(shù)，高質(zhì)量實現(xiàn)大尺寸復(fù)雜形狀A(yù)l/diamond復(fù)合材料散熱部件的生產(chǎn)；相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的推廣可以為解決不同領(lǐng)域所面臨的共性散熱問題提供核心解決方案。

當(dāng)今世界，以信息技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命在政治、經(jīng)濟、文化、社會、軍事等各個領(lǐng)域都帶來了深遠影響，深刻地改變著人們的生活方式，成為新時期經(jīng)濟增長的重要動力。電子制造業(yè)作為信息技術(shù)發(fā)展的重要支撐，也已經(jīng)成為各國的重要支柱產(chǎn)業(yè)，我國也在新時期科技發(fā)展綱要中確定把高端芯片和極大規(guī)模集成電路制造業(yè)列為重大專項。而電子封裝材料作為半導(dǎo)體芯片與集成電路連接外部電子系統(tǒng)的重要橋梁，直接決定著芯片計算能力的發(fā)揮程度，從而影響整體電子器件的性能水平，因此成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展中所面臨的關(guān)鍵材料問題。而作為電子封裝材料，首先就要追求更高的熱導(dǎo)率，從而實現(xiàn)快速高效的熱傳導(dǎo)，同時還需要間距適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)以及適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能等綜合要求。

進入新世紀以來，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體芯片和集成電路為了追求更快的運算速度和更復(fù)雜的功能，其集成度不斷提高，特征尺寸不斷減小，如Intel的四核處理器i7 CPU就已經(jīng)在270 mm2的芯片尺寸上集成了約3.71億個晶體管，這就會使得器件的功率密度越來越大，單位發(fā)熱量迅速上升，從而對封裝材料提出了更高的性能要求。因此，以SiC顆粒增強金屬基復(fù)合材料為代表的傳統(tǒng)封裝材料面臨淘汰，而以具有自然材料中最高熱導(dǎo)率的金剛石為增強相，與高導(dǎo)熱金屬鋁復(fù)合化得到的材料(Al/ diamond composites)，理論上可以獲得更為優(yōu)異的熱導(dǎo)率和綜合性能，如圖1所示，從而成為新型電子封裝材料重要研發(fā)對象。

圖1 Al/diamond復(fù)合材料性能隨金剛石增強相基本參數(shù)的理論變化規(guī)律: (a) 金剛石體積分數(shù)對復(fù)合材料密度和熱導(dǎo)率的影響; (b) 金剛石體積分數(shù)和粒度對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響

核心問題

雖然金剛石彌散強化鋁基復(fù)合材料的性能，尤其是熱導(dǎo)率，具有極為誘人的理論預(yù)期，但是由于金剛石具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使其與金屬基體間的界面優(yōu)化機制和過程十分復(fù)雜，從而限制了金剛石優(yōu)異性能向復(fù)合材料的傳遞和轉(zhuǎn)移，因此通過成型技術(shù)改進及創(chuàng)新，來實現(xiàn)兩相界面最佳優(yōu)化是推進Al/diamond復(fù)合材料研發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵。

在傳統(tǒng)的金剛石彌散強化鋁基復(fù)合材料工作中，研究人員嘗試了多種技術(shù)和方法；對于傳統(tǒng)液相成型法，雖然成型工藝簡單，但是由于金屬鋁的氧化以及成型壓力參數(shù)的可控性問題，兩相界面優(yōu)化效果并不理想；通過采用如放電等離子燒結(jié)的先進粉末成型技術(shù)，兩相界面優(yōu)化進程得以促進，但是粉末法固有的致密性問題限制了材料性能的提升，同時材料制備尺寸受限問題嚴重；此外，世界各國的研究人員們也開發(fā)了多種的基體合金化方法及金剛石顆粒表面金屬化方法，雖然相關(guān)方法均可以實現(xiàn)更為優(yōu)異的界面優(yōu)化從而較明顯地提高復(fù)合材料性能，但同時卻使得成型工藝復(fù)雜化，而合金元素引入所帶來的不良影響則成為限制其進一步發(fā)展的另一關(guān)鍵。

總體上講，相關(guān)研究工作確實不同程度地使材料得到提高和推進，但均存在一定局限性，而更為重要的是，Al/diamond復(fù)合材料的核心問題仍未得到最佳解決，因此材料性能無法達到預(yù)期，實用化推廣難以進行。

USTB新型成型技術(shù)

高壓氣體輔助熔滲技術(shù)是由北京科技大學(xué)相關(guān)研究團隊所開發(fā)的適用于高性能金屬基復(fù)合材料成型的先進技術(shù)，將其應(yīng)用于Al/diamond復(fù)合材料體系已經(jīng)取得了極為優(yōu)異的成果，相關(guān)工作已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利授權(quán)(專利號：ZL201110105288.5)，具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)。本方法的優(yōu)勢主要包括：(1)通過采用高壓氣體提供各向同性的成型壓力，可以實現(xiàn)其更為均勻、有效傳遞，從而最大限度地改善金屬熔體與金剛石顆粒的接觸，保證溫度和壓力更好地作用于兩相界面，提高界面反應(yīng)動力學(xué)的可控性；(2) 氣氛環(huán)境可以有效解決基體金屬鋁熔體的氧化問題，為界面優(yōu)化進程奠定基礎(chǔ)；(3) 有效防止復(fù)合材料成型過程中金屬熔體的飛濺并降低熔體及增強相的擾動，提高復(fù)合材料制備質(zhì)量，并且可以在較小壓力條件下實現(xiàn)成型，降低能耗；(4)在保證了高成型質(zhì)量基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)大尺寸部件的近終成型及批量化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率并降低復(fù)合材料的后續(xù)加工難度。

USTB研發(fā)的Al/diamond復(fù)合材料及部件

通過大量研究，USTB團隊已經(jīng)可以利用自主研發(fā)的高壓氣體輔助熔滲技術(shù)和裝置實現(xiàn)高導(dǎo)熱Al/ diamond復(fù)合材料的制備以及相應(yīng)導(dǎo)—散熱部件的開發(fā)。圖2展示的為近終成型制備的Al/diamond復(fù)合材料部件實物，可以看到復(fù)合材料獲得了優(yōu)異的制備質(zhì)量和較好的尺寸精度。目前制備的Al/diamond復(fù)合材料可以獲得極佳的熱物理性能并配合優(yōu)異的綜合性能，見表1。尤其是復(fù)合材料的熱導(dǎo)率性能得到了大幅提升，遠優(yōu)于傳統(tǒng)材料。如圖3(a)所示，本研究組開發(fā)的金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料，與當(dāng)前應(yīng)用最廣的Al/SiC復(fù)合材料相比，熱導(dǎo)率性能提升了近3倍。同時，如圖3(b)所示，研發(fā)的Al/diamond復(fù)合材料在比熱導(dǎo)率(熱導(dǎo)率/密度)方面具有更加突出的優(yōu)勢，在對輕量化提出更高要求的航空航天領(lǐng)域具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。配合材料參數(shù)設(shè)計，可以實現(xiàn)對復(fù)合材料性能的調(diào)控(見表1)，從而實現(xiàn)材料的不同性能組合，從而滿足不同的應(yīng)用需求

表1 高壓氣體輔助熔滲制備金剛石彌散強化金屬基復(fù)合材料綜合性能

圖2 高壓氣體輔助熔滲技術(shù)近終成型制備Al/diamond復(fù)合材料部件實物及組織形貌圖

圖3 高壓氣體輔助熔滲技術(shù)制備金剛石彌散強化金屬基復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料熱物理性能比較：(a)熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù); (b)比熱導(dǎo)率

應(yīng)用展望

早期，金屬基復(fù)合材料主要作為結(jié)構(gòu)材料使用，但隨著近30年的迅猛發(fā)展，金屬基復(fù)合材料在眾多領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。尤其是對于當(dāng)前利用高壓氣體輔助熔滲技術(shù)研發(fā)的金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料，在具有適當(dāng)力學(xué)性能，可以起到理想的結(jié)構(gòu)支撐作用而保證系統(tǒng)安全可靠性的基礎(chǔ)上，材料的熱物理性能得到了大幅度的改善和優(yōu)化，從而可以得到更加廣闊的應(yīng)用，尤其是在如電子工業(yè)、新型能源、航空航天等眾多高技術(shù)領(lǐng)域中，可以作為新一代的熱管理材料來解決關(guān)鍵問題，從而推動相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料在眾多領(lǐng)域中受到應(yīng)用青睞的性能優(yōu)勢主要有：首先就是高的熱導(dǎo)率，可以實現(xiàn)熱量的快速傳輸和消散，保證核心器件在理想的工作溫度運行；其次就是復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的可調(diào)控性，從而實現(xiàn)了與系統(tǒng)中不同材料間熱膨脹系數(shù)的匹配，減小變溫工作條件下熱應(yīng)力的不利影響。

關(guān)注未來我國相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的重點扶持和發(fā)展方向，對金剛石顆粒彌散強化金屬基高導(dǎo)熱復(fù)合材料可能存在的應(yīng)用進行簡要介紹。

工業(yè)電子

在當(dāng)前時代，處理器芯片(如CPU、DSP芯片等)和電子器件(微波管、發(fā)光二極管、晶閘管、功能模塊等)的基本性能已經(jīng)成為如微波通訊、自動控制等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和突破的關(guān)鍵。為了追求更快速的運算速度和更加強勁的性能表現(xiàn)，在微點加工和封裝技術(shù)發(fā)展的推動下，電子器件尺寸不斷減小，集成度不斷增加，產(chǎn)品和器件不斷的向高性能化和小型化發(fā)展，隨之必將會帶來功率密度的不同提高和發(fā)熱量的增加，因此需要更加有效的散熱處理方案。而金剛石顆粒彌散強化金屬復(fù)合材料就可以作為封裝殼體、散熱片或基板等部件(如圖4所示)，利用其超高的熱導(dǎo)率將熱量快速高效的傳遞出去，以保證電子器件可以工作在理想溫度，同時其適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)也可以保證各級封裝材料的匹配。

圖4 散熱片、熱沉等熱管理部件實物照片

激光器

激光器已經(jīng)成為工程建設(shè)、科學(xué)研究、空間探索等領(lǐng)域中的重要工具。而在激光器工作過程中，激光材料因為量子虧損、激光猝滅、寬譜吸收等因素而產(chǎn)生廢熱，廢熱在激光介質(zhì)內(nèi)累積而形成的熱效應(yīng)嚴重影響輸出激光的光束質(zhì)量和平均功率。當(dāng)廢熱進一步增加時，溫度梯度導(dǎo)致的熱應(yīng)力超過了材料的抗拉強度，則會造成激光材料的損壞。因此，采用金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料的高熱導(dǎo)性能對及激光器實現(xiàn)有效的熱管理，避免廢熱的累積而產(chǎn)生熱效應(yīng)，使激光器能夠在高頻或連續(xù)狀態(tài)下長時間工作，圖5所示即為高功率激光器的散熱部件。

圖5 高功率激光管散熱箱體及其他熱管理部件

動力電池

新型清潔能源的研究和開發(fā)是當(dāng)前全球熱點，而動力電池是其中的重要內(nèi)容。在動力電池的研發(fā)和使用中，散熱問題也是關(guān)鍵問題之一，在電池實際工作的放電過程中溫度會迅速增加，可以達到理論工作溫度的兩倍以上，另一方面，電池的充放電過程也會導(dǎo)致整體的溫度波動和不均勻性，這些都可能導(dǎo)致電池組件的失效。而金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料則可以作為電池組件的散熱材料(圖6)來實現(xiàn)有效的熱管理，提高電池組的使用安全性和壽命，推動動力電池以及進一步的動力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖6 動力電池散熱部件

聚變堆核電站

受控?zé)岷司圩兌咽亲钚滦偷暮朔磻?yīng)堆，被公認為是解決人類未來能源需求的主要途徑，其中面向等離子體部件是其中的關(guān)鍵部件。面向等離子體部件主要由兩部分組成，即外部直接面向等離子體的面向等離子體外壁材料，以及內(nèi)層的結(jié)構(gòu)材料。由于工作環(huán)境的巨大差別，面向等離子體部件的兩種材料存在明顯溫差，同時由于兩種材料間熱膨脹系數(shù)的顯著差異，將會在界面位置產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力，嚴重危害核電站的安全。在此情況下，金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料(由于工作溫度原因，主選材料Cu/diamond復(fù)合材料)可以作為熱沉材料添加于面向等離子體部件的兩種材料間，如圖7所示，一方面利用高熱導(dǎo)率來降低材料間的溫差，更為重要的是，利用復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的可調(diào)控性，選擇適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，協(xié)調(diào)材料間差異，減小熱應(yīng)力的不利影響。

圖7 核聚變堆試驗裝置照片及面向等離子體部件結(jié)構(gòu)示意圖

航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，由于其特殊的工作要求和嚴苛的工作環(huán)境，對其使用的材料和設(shè)備都提出了更高的要求，因此為了保證相關(guān)飛行器及產(chǎn)品中高端電子器件的穩(wěn)定工作，就需要更高性能的熱管理材料，而對于其中搭載的大量高性能光學(xué)精密儀器和觀測設(shè)備更是如此。以空間相機為例，工作溫度直接決定著相機的分辨率和觀測精度，因此對其工作溫度有著極其嚴苛的要求，過高的溫度和劇烈的溫度波動都會增大相機的暗電流和熱噪音，導(dǎo)致信噪比降低，影響成像質(zhì)量。因此在相機工作條件下，為了維持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?，需要采用高熱?dǎo)率的材料作為導(dǎo)熱部件，將相機工作產(chǎn)生的熱量傳遞到低溫冷源，從而保證空間相機高質(zhì)量工作。而當(dāng)前研發(fā)的金剛石顆粒彌散強化金屬基高導(dǎo)熱復(fù)合材料，就可以替代傳統(tǒng)材料，來滿足更高的性能需求，同時考慮到航空航天領(lǐng)域?qū)p量化的要求，Al/ diamond復(fù)合材料將可以得到更加廣泛的應(yīng)用。另外，對于我國正大力發(fā)展的空間站技術(shù)，高性能的金剛石顆粒彌散強化金屬基復(fù)合材料也將可以得到重要的應(yīng)用，因為隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，空間站中的電功率越來越大，器件產(chǎn)生的熱量會急劇增加，同時空間中的輻射也將產(chǎn)生大量的熱量，這些都會對空間中長期工作的器件產(chǎn)生嚴重影響，而利用研發(fā)材料的超高熱導(dǎo)特性可以將器件產(chǎn)生的熱量和輻射熱量有效的消散掉，同時由于在熱膨脹系數(shù)方面的優(yōu)勢，又可以顯著降低大溫差工作條件下熱應(yīng)力的不利影響。

預(yù)期效益

電子封裝散熱材料是電子制造業(yè)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)品，近年來，封裝材料的發(fā)展一直呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。據(jù)報道，2003年全球封裝材料銷售總額達到79億美元，其中剛性封裝基板20億美元。到2008年，全球封裝材料銷售額達到120億美元，年增長率高達20%。隨著我國高端電子制造業(yè)的發(fā)展，以及電子產(chǎn)品小型化的強勁需求，電子封裝材料將是未來一個時期電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的重要增長點，具有突出的經(jīng)濟價值。高導(dǎo)熱性封裝材料主要應(yīng)用于高端芯片及大功率元件封裝，未來5～10年內(nèi)其需求將以超過30%的速度增長，市場容量有望在短期內(nèi)達到十億元量級。因此利用USTB具有自助產(chǎn)權(quán)的高壓氣體輔助熔滲技術(shù)制備的金剛石顆粒彌散強化金屬基高導(dǎo)熱復(fù)合材料將會具有廣闊的應(yīng)用前景而帶來可觀的經(jīng)濟效益。

目前，北京科技大學(xué)的先進高導(dǎo)熱鋁/金剛石復(fù)合材料及其導(dǎo)—散熱部件制備技術(shù)形成了材料、工藝和裝備的較為完備的專利體系。經(jīng)北京國際高技術(shù)中心經(jīng)過評估，認為該項目具備極大的投資價值，已經(jīng)具備商業(yè)開發(fā)條件。

【知識小貼士】

金剛石(Diamond)是碳的眾多同素異構(gòu)體之一，一般表述其具有亞金屬的金剛石晶體結(jié)構(gòu)，其點陣空間為面心立方，但更加嚴格且科學(xué)的表述這種金剛石晶體機構(gòu)是兩個彼此錯開對角線1/4距離的面心立方結(jié)構(gòu)，或是帶有四面體間隙的面心立方結(jié)構(gòu)。碳原子位于面心立方結(jié)構(gòu)的陣點以及四個互不相鄰的四面體間隙，一個單胞具有8個碳原子，每個碳原子有4個最緊鄰和12個次緊鄰原子，最緊鄰原子間距為0.154 nm。在金剛石中，每個碳原子通過sp3軌道雜化形式與最緊鄰的碳原子形成4個σ共價鍵，因此每個碳原子的價電子都參與成鍵，晶體中不存在自由電子，同時由于共價鍵的飽和性和方向性，金剛石具有極其穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，而處于實際金剛石顆粒表面的碳原子存在懸掛鍵，一般情況下，懸掛鍵或與相鄰碳原子的懸掛鍵自偶閉合，或吸附空氣中的氣體原子，從而形成穩(wěn)定、低自由能的金剛石顆粒表面。由于金剛石具有的特殊晶體結(jié)構(gòu)，從而在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)方面具有許多優(yōu)異的性能，如高硬度、高彈性模量、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、透光率高和半導(dǎo)體禁帶寬度寬等，因此在材料領(lǐng)域具有重要研究價值和發(fā)展?jié)摿?，尤其是在熱?dǎo)率方面，金剛石更是體現(xiàn)出絕對的優(yōu)勢，它具有自然材料中最高的熱導(dǎo)率。

由于天然金剛石數(shù)量有限，因此價格昂貴，多作為重要礦產(chǎn)資源和名貴寶石，難以進行工業(yè)化應(yīng)用。但在金剛石優(yōu)異性能的吸引下，人造金剛石及制備技術(shù)的研究和開發(fā)成為許多科研工作者的光榮和夢想。從18世紀末發(fā)現(xiàn)金剛石微碳的同素異構(gòu)體，經(jīng)過百余年的艱難歷程，終于在20世紀50年代中期，國際上首次由美國和瑞典有關(guān)實驗室成功實現(xiàn)了單晶人造金 剛石顆粒的合成，這一重大進展也推動了我國的相關(guān)研究工作，并于1963年獨立成功進行了人造金剛石的實驗。此后，人造金剛石得到了迅速發(fā)展，至1970年產(chǎn)量已經(jīng)超過天然金剛石，20世紀80年代初更是達到了金剛石全部產(chǎn)量的70%。目前，我國的人造金剛石產(chǎn)量占全世界總產(chǎn)量的90%以上，同時隨著制備技術(shù)的不斷成熟，生產(chǎn)設(shè)備的升級更新和企業(yè)規(guī)模和管理水平的提高，人造金剛石的生產(chǎn)成本大幅度降低，使得人造單晶金剛石顆粒更加廣泛的應(yīng)用成為可能。

聯(lián)系作者簡介：張超，男，博士，北京科技大學(xué)科學(xué)研究與發(fā)展部副部長、北京國際高技術(shù)中心常務(wù)副主任、北京市弱磁檢測與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任，云南省鈦材應(yīng)用產(chǎn)品工程技術(shù)研究中心專家。作為在工程材料服役性能評價方面的研究者，專注于工程材料服役性能的全流程全壽命跨尺度表征與評價。參與多個國家工程材料服役評價相關(guān)領(lǐng)域的重點重大項目，包括普光氣田重大工程材料服役安全評價技術(shù)研究項目、國家重大科研儀器設(shè)備研制專項——熱環(huán)境模擬試驗裝置熱防護材料性能動態(tài)與實時測試子項目。與國內(nèi)多個企業(yè)建立了長期的合作關(guān)系，熟悉工程材料制備的典型工業(yè)生產(chǎn)工藝，為寶鈦、國核鋯業(yè)、金天鈦業(yè)等國內(nèi)知名企業(yè)提供技術(shù)咨詢服務(wù)。聯(lián)系地址：100083海淀區(qū)學(xué)院路30號 北京科技大學(xué)辦公樓224，E-mail：ihtc@ustb.edu.cn，手機：15001235520。

Advanced Forming Technology for the High Thermally Conductive Al/ Diamond Composites and Its Heat Conducting-Spreading Components

/ZHANG Chao, ZHANG Yang, LIU Na, ZHU Guo-feng

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.02.21

北京科技大學(xué)，北京 100083