隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，通訊技術(shù)逐步邁入5G時代。半導體材料不斷更新?lián)Q代的同時，集成電路也向著大規(guī)模、高集成、大功率方向不斷深入。以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料的應(yīng)用，使得絕緣柵雙極晶體管（IGBT）得到迅速發(fā)展，正在開啟新一代信息技術(shù)的新局面。

大功率、高電流密度是IGBT芯片的發(fā)展趨勢，這勢必會造成電子元器件過熱。研究數(shù)據(jù)表明，芯片表面溫度達到 70~80℃時，溫度每增加1℃，芯片可靠性下降5%，超過55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過高引起的。要解決散熱問題，除了采用更高效的冷卻技術(shù)外，研制出熱導率大于400W/(m·K)且膨脹系數(shù)與半導體材料相匹配的新型輕質(zhì)電子封裝材料迫在眉睫。金剛石/金屬復合材料作為新一類電子封裝材料，經(jīng)過十余年的研發(fā)，逐漸走向舞臺中央，被寄予厚望。

金剛石的主要性能

金剛石具有禁帶寬度大、硬度和熱導率極高、電子飽和漂移速度高、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照等優(yōu)異性能，在高壓和高效功率電子、高頻和大功率微電子、深紫外光電子等領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用前景。金剛石具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導率（2200Ｗ/（m·Ｋ）），比碳化硅（SiC）大4倍，比硅（Si）大13倍，比砷化稼（GaAs）大 43倍，是銅和銀的4~5倍，目前金剛石/金屬的導熱散熱復合材料大有可為。

金剛石導熱原理

金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結(jié)合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結(jié)構(gòu)的sp3 共價鍵強度和少量碳原子作用下的直接結(jié)果。金屬通過自由電子傳導熱量，其高熱傳導性與高導電性相關(guān)聯(lián)，相比之下，金剛石中的熱量傳導僅由晶格振動（即聲子）完成。金剛石原子之間極強的共價鍵使剛性晶格具有高振動頻率，因此其德拜特征溫度高達2220K。由于大部分應(yīng)用遠低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導阻力極小。但任何晶格缺陷都會產(chǎn)生聲子散射，從而降低熱傳導性，這是所有晶體材料的固有特征。

       電子封裝材料介紹

電子封裝材料是用于微電子元器件工業(yè)領(lǐng)域的一種具有較低熱膨脹系數(shù)和高熱導率的封裝材料，廣泛應(yīng)用于半導體器件、集成電路、汽車、軍事和航空等各種封裝領(lǐng)域。其目的是為了保護電子元器件免受灰塵、水分、沖擊、振動和化學物質(zhì)等外界的干擾，它能夠支撐器械，導出電子元件產(chǎn)生的熱量，為電子器件提供一個穩(wěn)定的環(huán)境使其正常工作。因此作為電子封裝材料有如下要求。
       （1）良好的氣密性：保證電子器件不受外界干擾，為半導體材料提供良好的工作環(huán)境；

（2）高的導熱系數(shù)：新型電子元器件的散熱量要求新時代的電子封裝材料具有超高導熱系數(shù)才能滿足其散熱需要；

（3）與半導體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）；

（4）高的強度和剛度：能夠為電子元件提供良好的機械支撐與保護；

（5）良好的加工成型和焊接性能：可加工成各種復雜的形狀，并便于封裝；

（6）低密度：滿足新型電子器件輕質(zhì)化的需求，使其能夠應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域；

（7）性能可靠，成本低廉：可以拓展電子封裝材料的應(yīng)用范圍，使其廣泛化和民用化。

表1：芯片與常見電子封裝材料性能參數(shù)

表2：常見電子封裝材料優(yōu)缺點對比

綜合來看，作為第四類封裝材料，金屬基復合材料被寄予厚望，目前金剛石/Cu復合材料和金剛石/Al復合材料是研究的重點和熱點。以金剛石/Cu復合材料為例，確定銅基體與金剛石顆粒大小、晶型后，選擇適當?shù)闹苽涔に囀菦Q定復合材料是否成功獲得優(yōu)良熱性能與理想界面組織的重要因素。

制備方法

       金剛石/銅復合材料的制備方法主要包含高溫高壓法、熱壓燒結(jié)法（粉末冶金法）、放電等離子燒結(jié)法、擠壓鑄造法、噴射沉積法等。以下是各類方法的簡單介紹。
       高溫高壓法：該方法常用于超硬材料的制備與合成，而且只能制備形狀簡單、規(guī)則的樣品，因其制備條件苛刻，所以成本較高。
       熱壓燒結(jié)法：此方法是在粉末冶金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，將金剛石顆粒與金屬粉混合均勻后放入預先設(shè)計好的模具中，在適當?shù)恼婵諚l件下經(jīng)歷加熱、加壓、保壓、冷卻、脫模等過程即可得到復合材料，熱壓燒結(jié)法可以通過調(diào)控各組分的含量制備出性能可調(diào)的復合材料，但也存在一些缺點，如對原材料要求比較高，增強相的體積分數(shù)不易超過 55%，否則復合材料很難致密。
       放電等離子燒結(jié)法：利用上、下模沖及通電電極產(chǎn)生的脈沖在粉末間形成等離子體放電，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻實現(xiàn)復合材料快速成型的一種新型的粉末冶金技術(shù)。因具有低電壓、高電流，粉末在較短的時間內(nèi)完成燒結(jié)并實現(xiàn)致密化。盡管放電等離子燒結(jié)法具有快的升溫速度，簡單的工序，較短的燒結(jié)時間，但由于放電等離子體燒結(jié)也受限于金剛石的體積分數(shù)，很難實現(xiàn)超高熱導率，而進一步增加金剛石的體積分數(shù)又燒結(jié)不致密。
       擠壓鑄造法：其原理是指半固態(tài)或液態(tài)金屬在壓力的作用下充型與冷卻，最后凝固成形的一種技術(shù)。采用擠壓鑄造法制備金剛石/銅復合材料時，需要將金剛石顆粒放入模具腔體中搖勻振實，然后注入熔融的金屬(單質(zhì)或合金)液體，并施加壓力。該方法制備復合材料需要對模具的形狀進行設(shè)計，而且澆注的金屬液體的熔點不易過高，所以此方法多用于制備金剛石/鋁復合材料。
       噴射沉積法：通過把兩種混好的粉末放入到爐膛中，經(jīng)過金屬熔融、液態(tài)金屬霧化過程后噴射沉積在基體板上。其優(yōu)點是能一步完成物料的混合、噴射與復合材料的沉積，能快速凝固，解決了增強顆粒相在金屬熔體中的凝固偏析和偏聚問題，同時因為冷卻速度快，也解決了復合材料中各組分間發(fā)生過激的界面反應(yīng)，其示意圖如下。

噴射沉積制備復合材料的示意圖

       熔滲法：此方法是利用熔點比增強體低的金屬或合金在熔融狀態(tài)下填充多孔增強體預制塊8的工藝，孔隙率即是基體填充的體積分數(shù)，熔滲可分為無壓熔滲與壓力熔滲。無壓熔滲法一般制備潤濕角小于90°(潤濕性良好)的兩種材料，其主要依靠預制塊內(nèi)部的孔隙對金屬熔體產(chǎn)生毛細管力將金屬熔體吸入內(nèi)部。而壓力熔滲是在金屬熔點以上溫度，通過施加機械壓力或者惰性氣體壓力使金屬熔體滲入預制塊的間隙中。與無壓熔滲相比，壓力熔滲制備所需的時間更短，獲得的復合材料更致密，因此備受研究者的青睞。
       金剛石/銅復合材料熱導率主要受限于復合材料界面設(shè)計、制備工藝，具體來說是銅基體、金剛石的本征熱導率，金剛石的體積分數(shù)、顆粒大小，此外兩者界面情況的改善也尤為重要。一般選擇晶型完整，氮含量低，100-500 um大小的金剛石作為復合材料的增強相，防止表面轉(zhuǎn)化為類石墨相，提高復合材料中金剛石的體積分數(shù)，有助于獲得高質(zhì)量的金剛石/銅復合材料。
       面對功率密度不斷提高的半導體元器件，金剛石/金屬復合材料能否實現(xiàn)為其快速退熱值得期待。歡迎參與第四屆國際碳材料大會暨產(chǎn)業(yè)展覽會，與中南大學魏秋平副教授共同探討《金剛石在電子封裝和相變儲熱智能溫控領(lǐng)域的應(yīng)用研究》。

       同時，大會也有幸邀請魏秋平老師作為Workshop主席，共同探討金剛石復合材料在導熱散熱領(lǐng)域的機遇和發(fā)展之路。

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