供稿|張 超，張 楊，劉 娜，朱國峰

先進高導熱鋁/金剛石復合材料及其導-散熱部件制備技術

供稿|張 超，張 楊，劉 娜，朱國峰

內(nèi)容導讀

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合材料成為世界范圍內(nèi)的研發(fā)熱點，尤其是Al/diamond復合材料。依靠北京科技大學具有自主知識產(chǎn)權的高壓氣體輔助熔滲技術，相關研究團隊成功解決了Al/diamond復合材料兩相界面優(yōu)化及可控性問題，制備獲得熱導率達到750 (W·m-1·K-1)以上的復合材料，達到世界領先水平；同時配合近終成型技術，高質量實現(xiàn)大尺寸復雜形狀Al/diamond復合材料散熱部件的生產(chǎn)；相關技術和產(chǎn)品的推廣可以為解決不同領域所面臨的共性散熱問題提供核心解決方案。

當今世界，以信息技術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率，從而實現(xiàn)快速高效的熱傳導，同時還需要間距適當?shù)臒崤蛎浵禂?shù)以及適當?shù)牧W性能等綜合要求。

進入新世紀以來，隨著微電子技術的迅猛發(fā)展，半導體芯片和集成電路為了追求更快的運算速度和更復雜的功能，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率的金剛石為增強相，與高導熱金屬鋁復合化得到的材料(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)對復合材料密度和熱導率的影響; (b) 金剛石體積分數(shù)和粒度對復合材料熱導率的影響

核心問題

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

在傳統(tǒng)的金剛石彌散強化鋁基復合材料工作中，研究人員嘗試了多種技術和方法；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的先進粉末成型技術，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合材料性能，但同時卻使得成型工藝復雜化，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)展的另一關鍵。

總體上講，相關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期，實用化推廣難以進行。

USTB新型成型技術

高壓氣體輔助熔滲技術是由北京科技大學相關研究團隊所開發(fā)的適用于高性能金屬基復合材料成型的先進技術，將其應用于Al/diamond復合材料體系已經(jīng)取得了極為優(yōu)異的成果，相關工作已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利授權(專利號：ZL201110105288.5)，具有完整的自主知識產(chǎn)權。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，提高界面反應動力學的可控性；(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；(3) 有效防止復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，提高復合材料制備質量，并且可以在較小壓力條件下實現(xiàn)成型，降低能耗；(4)在保證了高成型質量基礎上，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)效率并降低復合材料的后續(xù)加工難度。

USTB研發(fā)的Al/diamond復合材料及部件

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和裝置實現(xiàn)高導熱Al/ diamond復合材料的制備以及相應導—散熱部件的開發(fā)。圖2展示的為近終成型制備的Al/diamond復合材料部件實物，可以看到復合材料獲得了優(yōu)異的制備質量和較好的尺寸精度。目前制備的Al/diamond復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。尤其是復合材料的熱導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合材料，與當前應用最廣的Al/SiC復合材料相比，熱導率性能提升了近3倍。同時，如圖3(b)所示，研發(fā)的Al/diamond復合材料在比熱導率(熱導率/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域具有優(yōu)異的應用前景。配合材料參數(shù)設計，可以實現(xiàn)對復合材料性能的調控(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合材料綜合性能

圖2 高壓氣體輔助熔滲技術近終成型制備Al/diamond復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制備金剛石彌散強化金屬基復合材料與傳統(tǒng)材料熱物理性能比較：(a)熱導率和熱膨脹系數(shù); (b)比熱導率

應用展望

早期，金屬基復合材料主要作為結構材料使用，但隨著近30年的迅猛發(fā)展，金屬基復合材料在眾多領域得到了更加廣泛的應用。尤其是對于當前利用高壓氣體輔助熔滲技術研發(fā)的金剛石顆粒彌散強化金屬基復合材料，在具有適當力學性能，可以起到理想的結構支撐作用而保證系統(tǒng)安全可靠性的基礎上，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領域中，可以作為新一代的熱管理材料來解決關鍵問題，從而推動相關領域產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

金剛石顆粒彌散強化金屬基復合材料在眾多領域中受到應用青睞的性能優(yōu)勢主要有：首先就是高的熱導率，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；其次就是復合材料熱膨脹系數(shù)的可調控性，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力的不利影響。

關注未來我國相關工業(yè)領域的重點扶持和發(fā)展方向，對金剛石顆粒彌散強化金屬基高導熱復合材料可能存在的應用進行簡要介紹。

工業(yè)電子

在當前時代，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、自動控制等領域的技術創(chuàng)新和突破的關鍵。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?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、科學研究、空間探索等領域中的重要工具。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，廢熱在激光介質內(nèi)累積而形成的熱效應嚴重影響輸出激光的光束質量和平均功率。當廢熱進一步增加時，溫度梯度導致的熱應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合材料的高熱導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，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致整體的溫度波動和不均勻性，這些都可能導致電池組件的失效。而金剛石顆粒彌散強化金屬基復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

受控熱核聚變堆是最新型的核反應堆，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)層的結構材料。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合材料(由于工作溫度原因，主選材料Cu/diamond復合材料)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，一方面利用高熱導率來降低材料間的溫差，更為重要的是，利用復合材料熱膨脹系數(shù)的可調控性，選擇適當?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，協(xié)調材料間差異，減小熱應力的不利影響。

圖7 核聚變堆試驗裝置照片及面向等離子體部件結構示意圖

航空航天領域

在航空航天領域，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備都提出了更高的要求，因此為了保證相關飛行器及產(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精密儀器和觀測設備更是如此。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，導致信噪比降低，影響成像質量。因此在相機工作條件下，為了維持適當?shù)墓ぷ鳒囟?，需要采用高熱導率的材料作為導熱部件，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量工作。而當前研發(fā)的金剛石顆粒彌散強化金屬基高導熱復合材料，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域對輕量化的要求，Al/ diamond復合材料將可以得到更加廣泛的應用。另外，對于我國正大力發(fā)展的空間站技術，高性能的金剛石顆粒彌散強化金屬基復合材料也將可以得到重要的應用，因為隨著相關技術的發(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力的不利影響。

預期效益

電子封裝散熱材料是電子制造業(yè)的重要基礎產(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。高導熱性封裝材料主要應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)權的高壓氣體輔助熔滲技術制備的金剛石顆粒彌散強化金屬基高導熱復合材料將會具有廣闊的應用前景而帶來可觀的經(jīng)濟效益。

目前，北京科技大學的先進高導熱鋁/金剛石復合材料及其導—散熱部件制備技術形成了材料、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體之一，一般表述其具有亞金屬的金剛石晶體結構，其點陣空間為面心立方，但更加嚴格且科學的表述這種金剛石晶體機構是兩個彼此錯開對角線1/4距離的面心立方結構，或是帶有四面體間隙的面心立方結構。碳原子位于面心立方結構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)定的晶體結構，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構，從而在力學、光學、電學方面具有許多優(yōu)異的性能，如高硬度、高彈性模量、耐磨性、化學穩(wěn)定性、透光率高和半導體禁帶寬度寬等，因此在材料領域具有重要研究價值和發(fā)展?jié)摿?，尤其是在熱導率方面，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，同時隨著制備技術的不斷成熟，生產(chǎn)設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用成為可能。

聯(lián)系作者簡介：張超，男，博士，北京科技大學科學研究與發(fā)展部副部長、北京國際高技術中心常務副主任、北京市弱磁檢測與應用工程技術研究中心常務副主任，云南省鈦材應用產(chǎn)品工程技術研究中心專家。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領域的重點重大項目，包括普光氣田重大工程材料服役安全評價技術研究項目、國家重大科研儀器設備研制專項——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)提供技術咨詢服務。聯(lián)系地址：100083海淀區(qū)學院路30號 北京科技大學辦公樓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，北京 100083