隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展與芯片制程工藝的不斷進(jìn)步，微電子器件逐漸小型化、集成化和高功率化，散熱問題成為制約微電子器件進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)的電子封裝材料由于較低的熱導(dǎo)率（<300 W m-1 K-1）已經(jīng)不能滿足高功率電子器件的散熱需求，急需開發(fā)新一代具有高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)的電子封裝材料。近年來(lái)，金剛石顆粒增強(qiáng)鋁基（diamond/Al）復(fù)合材料具有較高的熱導(dǎo)率、可調(diào)控的熱膨脹系數(shù)和較低的密度，吸引了研究者的廣泛關(guān)注。目前，diamond/Al復(fù)合材料熱導(dǎo)率的最高值僅為770 W m-1 K-1，未能充分利用金剛石的高導(dǎo)熱特性，如何進(jìn)一步提高diamond/Al復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，是本領(lǐng)域主要解決的關(guān)鍵問題。

近日，北京科技大學(xué)張海龍教授與西安交通大學(xué)武海軍教授、北京航天航空大學(xué)趙立東教授合作，通過實(shí)現(xiàn)高界面熱導(dǎo)、大粒徑金剛石顆粒、高金剛石體積分?jǐn)?shù)和高致密度的同時(shí)優(yōu)化，獲得熱導(dǎo)率高達(dá)1021±34 W m-1 K-1的diamond/Al復(fù)合材料（圖1），為目前報(bào)道金剛石顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料熱導(dǎo)率的最高值，研究成果以題為Realizing ultrahigh thermal conductivity in bimodal-diamond/Al composites via interface engineering發(fā)表在Materials Today Physics（2022,28,100901）。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100901

研究工作采用雙粒徑金剛石顆粒提高金剛石體積分?jǐn)?shù)并實(shí)現(xiàn)大粒徑金剛石顆粒的致密化制備，通過優(yōu)化非連續(xù)原位碳化物界面層提高界面熱導(dǎo)（圖2），利用多因素的協(xié)同作用，在diamond/Al復(fù)合材料的熱導(dǎo)率方面取得突破。該復(fù)合材料同時(shí)具有與半導(dǎo)體材料匹配的低熱膨脹系數(shù)（3.40×10-6 K-1）、較高的高溫?zé)釋?dǎo)率和穩(wěn)定的熱循環(huán)性能（圖3），能夠?qū)Ω吖β饰㈦娮悠骷M(jìn)行有效散熱，有望替代現(xiàn)有電子封裝材料，推動(dòng)電子封裝技術(shù)的發(fā)展。

圖1 (a)Diamond/Al復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)優(yōu)異熱物理性能的策略：同時(shí)實(shí)現(xiàn)高界面熱導(dǎo)、大粒徑金剛石顆粒、高金剛石體積分?jǐn)?shù)和高致密度的優(yōu)化；(b)熱導(dǎo)率與文獻(xiàn)對(duì)比。

圖2 Diamond/Al復(fù)合材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)高界面熱導(dǎo)、大粒徑金剛石顆粒、高金剛石體積分?jǐn)?shù)和高致密度的優(yōu)化方案：(a)雙粒徑金剛石顆粒提高金剛石體積分?jǐn)?shù)并實(shí)現(xiàn)大粒徑金剛石顆粒的致密化制備；(b)非連續(xù)Al4C3界面層實(shí)現(xiàn)高界面熱導(dǎo)。

圖3 Diamond/Al復(fù)合材料的熱物理性能：(a)不同粒徑金剛石顆粒制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率；(b)298-673 K范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料GaN、金屬Al、金剛石對(duì)比；(c)比密度熱導(dǎo)率與diamond/Cu、diamond/Ag復(fù)合材料、高導(dǎo)熱金屬對(duì)比；(d)高溫?zé)釋?dǎo)率與diamond/Cu復(fù)合材料、金屬Cu和Al對(duì)比；(e)熱導(dǎo)率隨218-423 K溫度范圍熱循環(huán)次數(shù)的變化。