先进高导热铝/金刚石复合材料及其导-散热部件制备技术

供稿|张 超，张 杨，刘 娜，朱国峰

先进高导热铝/金刚石复合材料及其导-散热部件制备技术

供稿|张 超，张 杨，刘 娜，朱国峰

内容导读

先进电子产品已经渗透至国计民生的每个角落，而随着电子技术的飞速发展，散热问题正迅速成为限制众多产业继续进步的瓶颈，因此金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料成为世界范围内的研发热点，尤其是Al/diamond复合材料。依靠北京科技大学具有自主知识产权的高压气体辅助熔渗技术，相关研究团队成功解决了Al/diamond复合材料两相界面优化及可控性问题，制备获得热导率达到750 (W·m-1·K-1)以上的复合材料，达到世界领先水平；同时配合近终成型技术，高质量实现大尺寸复杂形状Al/diamond复合材料散热部件的生产；相关技术和产品的推广可以为解决不同领域所面临的共性散热问题提供核心解决方案。

当今世界，以信息技术为代表的第三次工业革命在政治、经济、文化、社会、军事等各个领域都带来了深远影响，深刻地改变着人们的生活方式，成为新时期经济增长的重要动力。电子制造业作为信息技术发展的重要支撑，也已经成为各国的重要支柱产业，我国也在新时期科技发展纲要中确定把高端芯片和极大规模集成电路制造业列为重大专项。而电子封装材料作为半导体芯片与集成电路连接外部电子系统的重要桥梁，直接决定着芯片计算能力的发挥程度，从而影响整体电子器件的性能水平，因此成为电子产业发展中所面临的关键材料问题。而作为电子封装材料，首先就要追求更高的热导率，从而实现快速高效的热传导，同时还需要间距适当的热膨胀系数以及适当的力学性能等综合要求。

进入新世纪以来，随着微电子技术的迅猛发展，半导体芯片和集成电路为了追求更快的运算速度和更复杂的功能，其集成度不断提高，特征尺寸不断减小，如Intel的四核处理器i7 CPU就已经在270 mm2的芯片尺寸上集成了约3.71亿个晶体管，这就会使得器件的功率密度越来越大，单位发热量迅速上升，从而对封装材料提出了更高的性能要求。因此，以SiC颗粒增强金属基复合材料为代表的传统封装材料面临淘汰，而以具有自然材料中最高热导率的金刚石为增强相，与高导热金属铝复合化得到的材料(Al/ diamond composites)，理论上可以获得更为优异的热导率和综合性能，如图1所示，从而成为新型电子封装材料重要研发对象。

图1 Al/diamond复合材料性能随金刚石增强相基本参数的理论变化规律: (a) 金刚石体积分数对复合材料密度和热导率的影响; (b) 金刚石体积分数和粒度对复合材料热导率的影响

核心问题

虽然金刚石弥散强化铝基复合材料的性能，尤其是热导率，具有极为诱人的理论预期，但是由于金刚石具有特殊的晶体结构，使其与金属基体间的界面优化机制和过程十分复杂，从而限制了金刚石优异性能向复合材料的传递和转移，因此通过成型技术改进及创新，来实现两相界面最佳优化是推进Al/diamond复合材料研发和应用的关键。

在传统的金刚石弥散强化铝基复合材料工作中，研究人员尝试了多种技术和方法；对于传统液相成型法，虽然成型工艺简单，但是由于金属铝的氧化以及成型压力参数的可控性问题，两相界面优化效果并不理想；通过采用如放电等离子烧结的先进粉末成型技术，两相界面优化进程得以促进，但是粉末法固有的致密性问题限制了材料性能的提升，同时材料制备尺寸受限问题严重；此外，世界各国的研究人员们也开发了多种的基体合金化方法及金刚石颗粒表面金属化方法，虽然相关方法均可以实现更为优异的界面优化从而较明显地提高复合材料性能，但同时却使得成型工艺复杂化，而合金元素引入所带来的不良影响则成为限制其进一步发展的另一关键。

总体上讲，相关研究工作确实不同程度地使材料得到提高和推进，但均存在一定局限性，而更为重要的是，Al/diamond复合材料的核心问题仍未得到最佳解决，因此材料性能无法达到预期，实用化推广难以进行。

USTB新型成型技术

高压气体辅助熔渗技术是由北京科技大学相关研究团队所开发的适用于高性能金属基复合材料成型的先进技术，将其应用于Al/diamond复合材料体系已经取得了极为优异的成果，相关工作已经获得国家发明专利授权(专利号：ZL201110105288.5)，具有完整的自主知识产权。本方法的优势主要包括：(1)通过采用高压气体提供各向同性的成型压力，可以实现其更为均匀、有效传递，从而最大限度地改善金属熔体与金刚石颗粒的接触，保证温度和压力更好地作用于两相界面，提高界面反应动力学的可控性；(2) 气氛环境可以有效解决基体金属铝熔体的氧化问题，为界面优化进程奠定基础；(3) 有效防止复合材料成型过程中金属熔体的飞溅并降低熔体及增强相的扰动，提高复合材料制备质量，并且可以在较小压力条件下实现成型，降低能耗；(4)在保证了高成型质量基础上，可以实现大尺寸部件的近终成型及批量化生产，提高生产效率并降低复合材料的后续加工难度。

USTB研发的Al/diamond复合材料及部件

通过大量研究，USTB团队已经可以利用自主研发的高压气体辅助熔渗技术和装置实现高导热Al/ diamond复合材料的制备以及相应导—散热部件的开发。图2展示的为近终成型制备的Al/diamond复合材料部件实物，可以看到复合材料获得了优异的制备质量和较好的尺寸精度。目前制备的Al/diamond复合材料可以获得极佳的热物理性能并配合优异的综合性能，见表1。尤其是复合材料的热导率性能得到了大幅提升，远优于传统材料。如图3(a)所示，本研究组开发的金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料，与当前应用最广的Al/SiC复合材料相比，热导率性能提升了近3倍。同时，如图3(b)所示，研发的Al/diamond复合材料在比热导率(热导率/密度)方面具有更加突出的优势，在对轻量化提出更高要求的航空航天领域具有优异的应用前景。配合材料参数设计，可以实现对复合材料性能的调控(见表1)，从而实现材料的不同性能组合，从而满足不同的应用需求

表1 高压气体辅助熔渗制备金刚石弥散强化金属基复合材料综合性能

图2 高压气体辅助熔渗技术近终成型制备Al/diamond复合材料部件实物及组织形貌图

图3 高压气体辅助熔渗技术制备金刚石弥散强化金属基复合材料与传统材料热物理性能比较：(a)热导率和热膨胀系数; (b)比热导率

应用展望

早期，金属基复合材料主要作为结构材料使用，但随着近30年的迅猛发展，金属基复合材料在众多领域得到了更加广泛的应用。尤其是对于当前利用高压气体辅助熔渗技术研发的金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料，在具有适当力学性能，可以起到理想的结构支撑作用而保证系统安全可靠性的基础上，材料的热物理性能得到了大幅度的改善和优化，从而可以得到更加广阔的应用，尤其是在如电子工业、新型能源、航空航天等众多高技术领域中，可以作为新一代的热管理材料来解决关键问题，从而推动相关领域产业的进一步发展。

金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料在众多领域中受到应用青睐的性能优势主要有：首先就是高的热导率，可以实现热量的快速传输和消散，保证核心器件在理想的工作温度运行；其次就是复合材料热膨胀系数的可调控性，从而实现了与系统中不同材料间热膨胀系数的匹配，减小变温工作条件下热应力的不利影响。

关注未来我国相关工业领域的重点扶持和发展方向，对金刚石颗粒弥散强化金属基高导热复合材料可能存在的应用进行简要介绍。

工业电子

在当前时代，处理器芯片(如CPU、DSP芯片等)和电子器件(微波管、发光二极管、晶闸管、功能模块等)的基本性能已经成为如微波通讯、自动控制等领域的技术创新和突破的关键。为了追求更快速的运算速度和更加强劲的性能表现，在微点加工和封装技术发展的推动下，电子器件尺寸不断减小，集成度不断增加，产品和器件不断的向高性能化和小型化发展，随之必将会带来功率密度的不同提高和发热量的增加，因此需要更加有效的散热处理方案。而金刚石颗粒弥散强化金属复合材料就可以作为封装壳体、散热片或基板等部件(如图4所示)，利用其超高的热导率将热量快速高效的传递出去，以保证电子器件可以工作在理想温度，同时其适当的热膨胀系数也可以保证各级封装材料的匹配。

图4 散热片、热沉等热管理部件实物照片

激光器

激光器已经成为工程建设、科学研究、空间探索等领域中的重要工具。而在激光器工作过程中，激光材料因为量子亏损、激光猝灭、宽谱吸收等因素而产生废热，废热在激光介质内累积而形成的热效应严重影响输出激光的光束质量和平均功率。当废热进一步增加时，温度梯度导致的热应力超过了材料的抗拉强度，则会造成激光材料的损坏。因此，采用金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料的高热导性能对及激光器实现有效的热管理，避免废热的累积而产生热效应，使激光器能够在高频或连续状态下长时间工作，图5所示即为高功率激光器的散热部件。

图5 高功率激光管散热箱体及其他热管理部件

动力电池

新型清洁能源的研究和开发是当前全球热点，而动力电池是其中的重要内容。在动力电池的研发和使用中，散热问题也是关键问题之一，在电池实际工作的放电过程中温度会迅速增加，可以达到理论工作温度的两倍以上，另一方面，电池的充放电过程也会导致整体的温度波动和不均匀性，这些都可能导致电池组件的失效。而金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料则可以作为电池组件的散热材料(图6)来实现有效的热管理，提高电池组的使用安全性和寿命，推动动力电池以及进一步的动力汽车产业的发展。

图6 动力电池散热部件

聚变堆核电站

受控热核聚变堆是最新型的核反应堆，被公认为是解决人类未来能源需求的主要途径，其中面向等离子体部件是其中的关键部件。面向等离子体部件主要由两部分组成，即外部直接面向等离子体的面向等离子体外壁材料，以及内层的结构材料。由于工作环境的巨大差别，面向等离子体部件的两种材料存在明显温差，同时由于两种材料间热膨胀系数的显著差异，将会在界面位置产生明显的热应力，严重危害核电站的安全。在此情况下，金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料(由于工作温度原因，主选材料Cu/diamond复合材料)可以作为热沉材料添加于面向等离子体部件的两种材料间，如图7所示，一方面利用高热导率来降低材料间的温差，更为重要的是，利用复合材料热膨胀系数的可调控性，选择适当的热膨胀系数，协调材料间差异，减小热应力的不利影响。

图7 核聚变堆试验装置照片及面向等离子体部件结构示意图

航空航天领域

在航空航天领域，由于其特殊的工作要求和严苛的工作环境，对其使用的材料和设备都提出了更高的要求，因此为了保证相关飞行器及产品中高端电子器件的稳定工作，就需要更高性能的热管理材料，而对于其中搭载的大量高性能光学精密仪器和观测设备更是如此。以空间相机为例，工作温度直接决定着相机的分辨率和观测精度，因此对其工作温度有着极其严苛的要求，过高的温度和剧烈的温度波动都会增大相机的暗电流和热噪音，导致信噪比降低，影响成像质量。因此在相机工作条件下，为了维持适当的工作温度，需要采用高热导率的材料作为导热部件，将相机工作产生的热量传递到低温冷源，从而保证空间相机高质量工作。而当前研发的金刚石颗粒弥散强化金属基高导热复合材料，就可以替代传统材料，来满足更高的性能需求，同时考虑到航空航天领域对轻量化的要求，Al/ diamond复合材料将可以得到更加广泛的应用。另外，对于我国正大力发展的空间站技术，高性能的金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料也将可以得到重要的应用，因为随着相关技术的发展，空间站中的电功率越来越大，器件产生的热量会急剧增加，同时空间中的辐射也将产生大量的热量，这些都会对空间中长期工作的器件产生严重影响，而利用研发材料的超高热导特性可以将器件产生的热量和辐射热量有效的消散掉，同时由于在热膨胀系数方面的优势，又可以显著降低大温差工作条件下热应力的不利影响。

预期效益

电子封装散热材料是电子制造业的重要基础产品，近年来，封装材料的发展一直呈现快速增长的态势。据报道，2003年全球封装材料销售总额达到79亿美元，其中刚性封装基板20亿美元。到2008年，全球封装材料销售额达到120亿美元，年增长率高达20%。随着我国高端电子制造业的发展，以及电子产品小型化的强劲需求，电子封装材料将是未来一个时期电子制造产业链的重要增长点，具有突出的经济价值。高导热性封装材料主要应用于高端芯片及大功率元件封装，未来5～10年内其需求将以超过30%的速度增长，市场容量有望在短期内达到十亿元量级。因此利用USTB具有自助产权的高压气体辅助熔渗技术制备的金刚石颗粒弥散强化金属基高导热复合材料将会具有广阔的应用前景而带来可观的经济效益。

目前，北京科技大学的先进高导热铝/金刚石复合材料及其导—散热部件制备技术形成了材料、工艺和装备的较为完备的专利体系。经北京国际高技术中心经过评估，认为该项目具备极大的投资价值，已经具备商业开发条件。

【知识小贴士】

金刚石(Diamond)是碳的众多同素异构体之一，一般表述其具有亚金属的金刚石晶体结构，其点阵空间为面心立方，但更加严格且科学的表述这种金刚石晶体机构是两个彼此错开对角线1/4距离的面心立方结构，或是带有四面体间隙的面心立方结构。碳原子位于面心立方结构的阵点以及四个互不相邻的四面体间隙，一个单胞具有8个碳原子，每个碳原子有4个最紧邻和12个次紧邻原子，最紧邻原子间距为0.154 nm。在金刚石中，每个碳原子通过sp3轨道杂化形式与最紧邻的碳原子形成4个σ共价键，因此每个碳原子的价电子都参与成键，晶体中不存在自由电子，同时由于共价键的饱和性和方向性，金刚石具有极其稳定的晶体结构，而处于实际金刚石颗粒表面的碳原子存在悬挂键，一般情况下，悬挂键或与相邻碳原子的悬挂键自偶闭合，或吸附空气中的气体原子，从而形成稳定、低自由能的金刚石颗粒表面。由于金刚石具有的特殊晶体结构，从而在力学、光学、电学方面具有许多优异的性能，如高硬度、高弹性模量、耐磨性、化学稳定性、透光率高和半导体禁带宽度宽等，因此在材料领域具有重要研究价值和发展潜力，尤其是在热导率方面，金刚石更是体现出绝对的优势，它具有自然材料中最高的热导率。

由于天然金刚石数量有限，因此价格昂贵，多作为重要矿产资源和名贵宝石，难以进行工业化应用。但在金刚石优异性能的吸引下，人造金刚石及制备技术的研究和开发成为许多科研工作者的光荣和梦想。从18世纪末发现金刚石微碳的同素异构体，经过百余年的艰难历程，终于在20世纪50年代中期，国际上首次由美国和瑞典有关实验室成功实现了单晶人造金 刚石颗粒的合成，这一重大进展也推动了我国的相关研究工作，并于1963年独立成功进行了人造金刚石的实验。此后，人造金刚石得到了迅速发展，至1970年产量已经超过天然金刚石，20世纪80年代初更是达到了金刚石全部产量的70%。目前，我国的人造金刚石产量占全世界总产量的90%以上，同时随着制备技术的不断成熟，生产设备的升级更新和企业规模和管理水平的提高，人造金刚石的生产成本大幅度降低，使得人造单晶金刚石颗粒更加广泛的应用成为可能。

联系作者简介：张超，男，博士，北京科技大学科学研究与发展部副部长、北京国际高技术中心常务副主任、北京市弱磁检测与应用工程技术研究中心常务副主任，云南省钛材应用产品工程技术研究中心专家。作为在工程材料服役性能评价方面的研究者，专注于工程材料服役性能的全流程全寿命跨尺度表征与评价。参与多个国家工程材料服役评价相关领域的重点重大项目，包括普光气田重大工程材料服役安全评价技术研究项目、国家重大科研仪器设备研制专项——热环境模拟试验装置热防护材料性能动态与实时测试子项目。与国内多个企业建立了长期的合作关系，熟悉工程材料制备的典型工业生产工艺，为宝钛、国核锆业、金天钛业等国内知名企业提供技术咨询服务。联系地址：100083海淀区学院路30号 北京科技大学办公楼224，E-mail：ihtc@ustb.edu.cn，手机：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

北京科技大学，北京 100083