热导率高达515.25 W/（m·K）！太原理工大学在金刚石/铜导热材料方面取得进展

中国粉体网讯  近日，太原理工大学材料科学与工程学院马永等在Journal of Alloys and Compounds上发表题为“Fabrication and heat dissipation performance of diamond/Cu composite with diamond bars inserted in the normal direction”（法向镶嵌金刚石棒的金刚石/铜复合材料的制备及散热性能）的文章。该研究设计了一种高导热的新型金刚石/铜复合材料。

金刚石/铜复合材料已成为高效散热的理想方案

随着科学技术的进步，航空航天、工业、国民生产及其他许多领域的电子设备愈加趋向小型化，多功能化和集成化方向发展，在单位体积功率密度提高时，会产生大量热量。如今传统的散热材料已经不能满足高功率器件对电子设备散热的需求，散热问题已经成为限制这些行业发展的一个关键因素。

由于具有特有的碳结构，金刚石是目前已知的在自然界中存在的最坚硬的物质, 莫氏硬度达到10, 同时也是自然界中导热系数最高的物质之一, 导热系数高达2.0～2.2 kW/(m·K)。铜的导热、导电、延展性都较好, 热导率为401 W/(m·K), 远高于铝、钼等金属, 并且价格低廉, 被广泛应用于集成电路领域。综合金刚石和铜的导热性能，将金刚石与铜进行复合制备的金刚石/铜复合材料，不仅可满足电子元器件对于导热以及热膨胀性能的要求，还具有良好的耐热、耐蚀与化学稳定性，是一种极具应用前景的高性能热管理材料。

金刚石/铜复合材料的制备方法很多, 提高复合材料热导率的方法也很多, 其中最有必要的是要对两者的界面进行改性。然而，即使使用金刚石表面金属化方法或基体合金化方法通过过渡层对界面进行改性，也不能完全消除界面热阻。到目前为止，各种方法制备的复合材料的TC大多在1000 W/（m·K）以下，仍远低于金刚石。

金刚石棒代替金刚石颗粒

为此，太原理工大学研究团队设计了一种新型的金刚石/铜复合材料，该材料具有高效的法向导热通道。研究团队用金刚石棒代替金刚石颗粒作为复合材料的主要导热通道，保证了垂直方向更高效的导热，有望以较低的金刚石含量获得较高的导热率。直接使用含Ti元素的活性钎料，省去了界面改性工艺，降低了生产时间和成本。此外，采用真空钎焊作为制备工艺，不仅保证了复合材料的质量，而且可以同时生产更多的复合材料。

(a)新型金刚石/Cu复合材料的三维示意图; (b)单个钻石棒插入单个孔中的金刚石/Cu复合材料的示意图

数据显示，实验中三种金刚石/Cu复合材料样品的TC值均高于纯铜。此外，加入金刚石颗粒可以进一步提高复合材料的TC。其中，含有2000目金刚石颗粒的样品具有前所未有的515.25 W/（m·K）的TC，而总金刚石含量低至22.58vol%。

金刚石/Cu复合材料、Cu-Sn-Ti铸锭和Cu基体25℃时的TC

结果表明，金刚石/Cu复合材料的优良结构设计使其在低金刚石含量下获得了高的TC，有望成为一种新型的电子器件散热材料。

参考来源：

[1]太原理工大学-JAC: 法向镶嵌金刚石棒的金刚石/铜复合材料的制备及散热性能.先进焊接技术

[2]徐薇等.电子封装用高导热金刚石/铜复合材料的研究进展

[3]焦思佳.金刚石/铜复合材料界面调控与导热性能研究

（中国粉体网编辑整理/山川）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除