金刚石/铜复合材料热性能又有新突破

发布时间：2025-08-21 13:57:13 | 浏览量： 27次

高性能计算芯片的多功能集成和小型化推动了自动驾驶、人工智能、6G通信等前沿半导体技术的快速发展，但这一进步也同时加剧了热管理挑战；虽然金刚石增强铜基体（金刚石/铜）复合材料可以通过界面改性获得高的导热系数，但复合材料与半导体材料之间的热膨胀系数（CTE）存在显著的不匹配，沿着长期使用时传热性能的下降，严重阻碍了其工程应用。






近日，中南大学马莉团队提出了一种结合控制界面层厚度的界面设计策略，通过磁控溅射结合气压浸渗技术，在金刚石/铜界面构建了WC-(Zr,W)C梯度界面层，同时提高了金刚石/铜复合材料的传热能力、热膨胀匹配性和热稳定性。




结果表明，当溅射时间至45分钟时，复合材料热导率达到743W/(m·K)，是未涂层样品的1.3倍；热膨胀匹配方面，复合材料的热膨胀系数降至4.5×10-6K-1，与半导体材料实现良好匹配，这极大降低了芯片工作过程中的热应力；还有热稳定性突破，经100次热循环（218-423K温度范围）后，仍保持较高的热扩散系数，达到244.9mm²/s，热扩散系数仅下降20.7%。




随着电子元器件向集成化、小型化和高功率化发展，散热问题日渐突出。开发具有优异热性能的热管理材料以实现高效散热是电子产业发展过程中的关键问题。铜是一种成熟的电子封装材料，价格低、加工性能好；金刚石单晶的热导率可达到2200W/(m·K)，远远超过传统导热材料，其在高温环境中也能够保持出色的导热性能。而金刚石/铜复合材料能够更好地结合金属基体和金刚石增强相的优势，成为新一代极具发展潜力的热管理材料。




此次研究证实了引入WC-(Zr,W)C多级界面层有利于提高金刚石与基体的界面结合强度和声子匹配。此外，金刚石/铜复合材料在热冲击后具有均匀分布的金刚石颗粒、较高的相对密度和孤立的孔隙，保证了其优异的传热性能，这不仅解决了金刚石/铜复合材料的工程应用难题，阐明了其强化机理的深入理解，而且为热管理复合材料的界面层设计提供了新的视角。




研究成果以“Simultaneously enhancing heat transfer ability, thermal expansion matching and thermal stability of diamond-reinforced Cu matrix composites through multi-level interface layer design”为题发表在《Materials Today Physics》期刊。






图1.金刚石/铜复合材料的制备过程示意图。






图2.（a）横向周期模型;（B）金刚石（111）/Cu（111）和（c）金刚石（111）/WC（0001）/CuZr（111）的界面结构模型。






图3.（a）WD/Cu（Zr）-t复合材料的TC和ITC值;（B）TC与先前报道的数据的比较，其中橙子、蓝色和红色色块分别代表表面金属化、基体合金化和偶联改性方法。






图4.（a）实时温度响应系统示意图;（B）CuZr合金、WD/Cu（Zr）-0和WD/Cu（Zr）-45复合材料的红外热图像和（c）温度-时间曲线。






图5.（a）WD/Cu（Zr）-0和WD/Cu（Zr）-45复合材料的CTE与Cu、金刚石、SiC和GaN的CTE的比较。（B）金刚石/Cu复合材料在HCST后k的变化。






图6.（a）金刚石颗粒的形态，（B）粒度分布直方图，（c）XRD图谱;（d）镀W金刚石颗粒的形态，（e，f）相应的EDS元素图谱。






图7.来自各种金刚石/Cu复合材料的金刚石颗粒的形态：（a）WD/Cu（Zr）-0和（B）（a）中的局部EDS图;（c）WD/Cu（Zr）-25;（d）WD/Cu（Zr）-35;（e）WD/Cu（Zr）-45和（f）（e）中的局部EDS图。

原文：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101818







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