金刚石铜复合材料作为散热材料的热导率与膨胀的研究

金刚石铜复合材料作为散热材料的热导率与膨胀的研究
摘要：在金刚石表面涂上含有少量碳化物元素（包括B,Cr,Ti,Si）的铜溅射物制备金刚石/铜复合材料的金属粉末，碳化物形成元素影响金刚石复合材料的微观结构和热导率。

研究发现Cu-0.5B覆盖在金刚石上形成的复合材料有相当高的硬度并且他的热导率达到300W/(m.K)。

0.5％的B的加入量能提高界面的融合并且减少金刚石与铜的热界面，而1％Cr的加入使界面层脱离金刚石表面。

Cu-0.5B覆盖在金刚石表面形成的复合材料的实际界面导热系数远高于Cu-1Cr组成的复合材料，说明材料界面的内在导热系数是影响金刚石复合材料热导率的重要因素。

关键词：金刚石/铜复合材料碳化物形成元素热导率热边界热阻界面层
1简介
热考虑在电子包装设计中变得急切重要因为装置不停增长的功率产生越来越多的热量，因此热沉材料需要有效的热导率和相互匹配的热膨胀系数。

金刚石复合材料有希望满足这些要求，ib类型合成金刚石的热导率估计在1 500−2 000 W/(m·K)，铜是最重要的导热和电子应用材料之一。

它能达到400 W/(m·K)的优秀的热导率和16.32×10−6 K−1的热膨胀系数。

金刚石加固铜合基被认为有助于满足日益增长的热导需求。

美国的丁伟迪报告说通过烧结金刚石和铜已经能达到600 W/(m·K)的热导率。

但是通过粉末冶金制作的复合材料被证明是界面粘合变差因为纯的流动的铜不沾金刚石。

因为界面胶合不好以及在表面的不协调的热导率界面热阻变成一个难题。

实验数据表明界面缝隙降低了复合材料的热导效果在镍-钠硼硅酸盐体系中。

在这个工作中，铜基复合材料用引发等离子烧结的方法制备在金刚石表明缓慢的磁溅射以前。

碳化物包含Cr, B, Si, Ti是用来助于提高金刚石/铜复合材料的粘合和热导，界面层对热导率的贡献正在讨论中。

2实验
金刚石颗粒表面覆盖铜合金通过磁溅射。

为了详细的提高粘合和热边界热阻，四种碳化合物合金加入到铜里面。

复合材料分别是Cu-4%Ti，Cu-3%Si，Cu-1%Cr和Cu-0.5%B。

商业上可获得的38−44，124−150，178−200um金刚石被应用。

大量的金刚石在复合材料中可为60% 到80%。

在磁溅射中，金刚石放在一个搅动的碟中。

通过控制振动的的频率和振幅，统一的膜剂被喷溅到粒子的各个面上，环境是电流1A，电压200V,压强1.0×10−2 Pa，喷溅21分钟。

最后，喷溅过的粒子在封闭的H2气中还原5小时。

预先处理的粉末和指定的大量铜粉混合，然后加热到1 000 ℃并且在等离子烧结5分钟为碳化物的形成提供足够时间。

根据阿基米德原理，容积密度是可测的。

溅射面的厚度可以用X光衍射分析和重力测量方法测得。

复合材料的热导率可由激光闪光方法得到，热扩散系数可用德国的LFA427激光装置测到。

复合材料的断裂面可有日立公司的S−3500N装置通过电子扫描显微镜测量。

能量分析光谱也用于分析复合材料。

3结果和讨论
3.1湿度特征
由于金刚石表面的限制，高纯度的石墨薄片被用来测量Cu-X碳合物的湿度信息。

金刚石和石墨的化学特征是相近的，并且Cu-X化合物和石墨的湿度分析可由推断的方法得到。

根据表1，在铜里面加入铬硼化合物后石墨和铜的接触角度减少，在54˚ -1100 ℃，2.0×10−2 Pa下加入1%Cr会明显减少。

通过观察界面发现，Cu-1Cr化合物时的接触强度明显高于Cu-0.5B化合物，因为表面强烈的碳化反应。

表1 Cu-X合金和石墨在1100℃时的接触角度
合金纯Cu Cu-1Cr Cu-0.5B Cu-3Si
θ/(˚) 154 54 70 150
3.2溅射层的厚度
通过X射线对细小薄膜的分析，Cu-1Cr ，Cu-0.5B，Cu-3Si在金刚石颗粒的厚度层分别是1.85,1.90,1.79毫米。

小角度的衍射有助于减少测试错误。

此外称重法被用来预估厚度通过精确比较大量金刚石粉末磁溅射前后的不同。

界面层的厚度被计算出来假设每个金刚石颗粒的尺寸都在2.42, 2.12 和2.31 µm。

由于界面层太薄以及一些颗粒在溅射中丢失，计算的结果比X衍射的结果高。

3.3复合材料的微观结构
CuCr-diamond，CuB- diamond，CuTi-diamond，CuSi-diamond复合材料的相关密度分别是98.9%，99.3%，96.7%，97.1%。

金刚石的形态展示在图1中。

原始的金刚石表面和溅射过的金刚石表面都是光滑的。

EDS的区域映射上表面溅射显示界面层上主要是铜。

由于少量添加剂和特殊手段，硼，铬基不会被检测到。

烧结过后一些倒金字塔形的凹槽会从覆盖着Cu-0.5B的金刚石复合材料中释放出来出现在{100}表面，可以从图1（c）和（d）中看到。

他可以解释为金刚石{100} 和{111}位面的不同粘合。

在单个金刚石模型中，{100}面的原子是大量原子粘合的两倍，{111}面的粘合能力是3倍。

两个一起比三个一起明显容易断裂当烧结时铜合金溶液覆盖到金刚石表面时。

{100}表面原子保护{111}面防止它在连续破坏两面并且移动是被溶解。

{100}的表面原子解散一层层的坑出来。

它同时表明金刚石表面的不同反应。

{100}面在碳化合物表面的构造中更容易溶解和参与。

图2中更多表面结对阐明Cu-X-沾附金刚石复合材料的表面结构很有用。

图2显示复合材料的组成是纯金刚石和铜。

在金刚石-铜复合材料中明显观测到裂缝和机械粘合。

从表2（c）（d）中看到加入少量的硼元素表面粘合得到明显的提高，金刚石也紧紧的被基质包围。

没有任何明显的宏观裂缝和缺点出现在表面。

在图2（f）中，铜硅涂层覆盖的金刚石复合材料出现裂缝说明加入硅不能提高表面粘合。

在表2（g）中，铜被观察到渗透到金刚石颗粒之间的缝隙中并且凝结很好。

但是在图2（h）中放电等离子烧结过后大量气泡从金刚石表面溢出。

它可能是因为碳原子和金刚石表面吸附的气体反应在溅射之前或者在烧结时。

此外Cu-1%Cr金属涂层与金刚石热膨胀系数的不同使相应的区域释放应力使粘合变弱并有气泡形成。

3.4复合材料的热导系数
金刚石复合材料的热导系数包括金刚石碳化合物的界面阻。

碳化合物的界面阻碳材料表面的界面阻。

金刚石碳化合物表面的热传导在下面详细的讨论。

把热阻和颗粒尺寸考虑进去后，复合材料有效的热传导可以由公式1表示K eff, K m, K p分别是复合材料有效热阻，金属模板，和尺寸。

Φp是加强量，a是加强量直径，hc是边界传导。

碳化合物自身的热性能列在表格2中。

根据公式1，不同碳化合物界面的复合材料可以在理论上预测出来，如在图3中显示的颗粒尺寸是200µm金刚石分数是80%。

可以发现金刚石复合材料的热传导随着界面层的固有热传导而升高如果能得到完美的界面热传导。

因为过渡层的热导率非常低，仅仅提高固有物的导热率来热传导是不可能的。

除非过渡层的热导率过渡一定的价值，复合材料的热导率才能提高。

因此讨论碳化物层对界面热导率的作用是很有意义的。

图4显示测量的金刚石复合材料的热导率远低于理论值。

假设金刚石和铜的热导率分别是1500和400 W/(m·K)，金刚石的热导率依赖于尺寸。

界面传导用公式1计算，在金刚石-纯铜复合材料中界面传导低于1.07×106 W/(m2·K)。

但是铬和硼是金刚石/铜复合材料良好的参与材料，加入后界面热传导分别增长到3.92×106和7.27×106W/(m2·K)。

这归功于在两个基底之间形成的取代和热溶解质在烧结的温度下。

碳化合物的形成反应不会在Cu-3Si-diamond的烧结温度中发生。

微小的断裂依然存在并且使金刚石复合材料的热导率显著下降。

依据有效的媒介理论，我们可以推断在金刚石/铜复合材料中铜在热传导中扮演了决定性的角色。

巨大的界面影响就像热传导中的缝隙和缺陷。

尽管加入0.5%B和1%Cr能减少界面缺陷到一定程度，巨大的界面接触依然存在并影响了预期的传热性能。

媒介反应层的厚度应当适当控制，因为热膨胀系数的不匹配以及内应力在如此拥挤的碳化层释放会导致降低粘合性能和热传导率如果金刚石被碳化合物层完全覆盖。

最佳参数应该是提供一个增长比例的反应层来维持一个小的热边界阻在金刚石复合材料的表面。

GUI 和al证明100 nm厚的Cr3C2能使热导率达到640 W/(m·K)。

因此需要关心的问题是优化题材和碳化物反应层来达到最好的架构，在这个体系中金刚石担任主要的热传导道路而铜起到连接金刚石颗粒的作用。

4结论
1）金刚石/铜复合材料应通过放电等离子烧结得到，在四铜合金溅射金刚石以前
2）Cu-0.5B-覆盖金刚石有一个99.3%的最高相关密度并且热导率达到300 W/(m·K).
3）含有硼铬的碳化合物影响金刚石/铜复合材料的微观结构和热导率。

在金刚石{100}面
0.5%B的打底能使它更容易溶解和参与界面碳化物反应从而显著提高了金刚石和基底的
粘合和热传导。

加入1%Cr能使烧结的金刚石表面产生大量的气泡。

表面缝隙限制界面粘合和热传导。

4）界面层的热导率归因于复合材料和几乎相同的复合材料的不同热导率。

固有热导率越大理论预估值越大。