隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，通訊技術(shù)逐步邁入5G時代。半導(dǎo)體材料不斷更新?lián)Q代的同時，集成電路也向著大規(guī)模、高集成、大功率方向不斷深入。以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，使得絕緣柵雙極晶體管（IGBT）得到迅速發(fā)展，正在開啟新一代信息技術(shù)的新局面。

大功率、高電流密度是IGBT芯片的發(fā)展趨勢，這勢必會造成電子元器件過熱。研究數(shù)據(jù)表明，芯片表面溫度達(dá)到 70~80℃時，溫度每增加1℃，芯片可靠性下降5%，超過55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過高引起的。要解決散熱問題，除了采用更高效的冷卻技術(shù)外，研制出熱導(dǎo)率大于400W/(m·K)且膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料相匹配的新型輕質(zhì)電子封裝材料迫在眉睫。金剛石/金屬復(fù)合材料作為新一類電子封裝材料，經(jīng)過十余年的研發(fā)，逐漸走向舞臺中央，被寄予厚望。

金剛石具有禁帶寬度大、硬度和熱導(dǎo)率極高、電子飽和漂移速度高、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照等優(yōu)異性能，在高壓和高效功率電子、高頻和大功率微電子、深紫外光電子等領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用前景。金剛石具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率（2200Ｗ/（m·Ｋ）），比碳化硅（SiC）大4倍，比硅（Si）大13倍，比砷化稼（GaAs）大 43倍，是銅和銀的4~5倍，目前金剛石/金屬的導(dǎo)熱散熱復(fù)合材料大有可為。

金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結(jié)合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結(jié)構(gòu)的sp3 共價鍵強(qiáng)度和少量碳原子作用下的直接結(jié)果。金屬通過自由電子傳導(dǎo)熱量，其高熱傳導(dǎo)性與高導(dǎo)電性相關(guān)聯(lián)，相比之下，金剛石中的熱量傳導(dǎo)僅由晶格振動（即聲子）完成。金剛石原子之間極強(qiáng)的共價鍵使剛性晶格具有高振動頻率，因此其德拜特征溫度高達(dá)2220K。由于大部分應(yīng)用遠(yuǎn)低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導(dǎo)阻力極小。但任何晶格缺陷都會產(chǎn)生聲子散射，從而降低熱傳導(dǎo)性，這是所有晶體材料的固有特征。

電子封裝材料是用于微電子元器件工業(yè)領(lǐng)域的一種具有較低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率的封裝材料，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件、集成電路、汽車、軍事和航空等各種封裝領(lǐng)域。其目的是為了保護(hù)電子元器件免受灰塵、水分、沖擊、振動和化學(xué)物質(zhì)等外界的干擾，它能夠支撐器械，導(dǎo)出電子元件產(chǎn)生的熱量，為電子器件提供一個穩(wěn)定的環(huán)境使其正常工作。因此作為電子封裝材料有如下要求。

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（1）良好的氣密性：保證電子器件不受外界干擾，為半導(dǎo)體材料提供良好的工作環(huán)境；

（2）高的導(dǎo)熱系數(shù)：新型電子元器件的散熱量要求新時代的電子封裝材料具有超高導(dǎo)熱系數(shù)才能滿足其散熱需要；

（3）與半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）；

（4）高的強(qiáng)度和剛度：能夠為電子元件提供良好的機(jī)械支撐與保護(hù)；

（5）良好的加工成型和焊接性能：可加工成各種復(fù)雜的形狀，并便于封裝；

（6）低密度：滿足新型電子器件輕質(zhì)化的需求，使其能夠應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域；

（7）性能可靠，成本低廉：可以拓展電子封裝材料的應(yīng)用范圍，使其廣泛化和民用化。

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綜合來看，作為第四類封裝材料，金屬基復(fù)合材料被寄予厚望，目前金剛石/Cu復(fù)合材料和金剛石/Al復(fù)合材料是研究的重點和熱點。以金剛石/Cu復(fù)合材料為例，確定銅基體與金剛石顆粒大小、晶型后，選擇適當(dāng)?shù)闹苽涔に囀菦Q定復(fù)合材料是否成功獲得優(yōu)良熱性能與理想界面組織的重要因素。

金剛石/銅復(fù)合材料的制備方法主要包含高溫高壓法、熱壓燒結(jié)法（粉末冶金法）、放電等離子燒結(jié)法、擠壓鑄造法、噴射沉積法等。以下是各類方法的簡單介紹。

高溫高壓法：該方法常用于超硬材料的制備與合成，而且只能制備形狀簡單、規(guī)則的樣品，因其制備條件苛刻，所以成本較高。

熱壓燒結(jié)法：此方法是在粉末冶金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，將金剛石顆粒與金屬粉混合均勻后放入預(yù)先設(shè)計好的模具中，在適當(dāng)?shù)恼婵諚l件下經(jīng)歷加熱、加壓、保壓、冷卻、脫模等過程即可得到復(fù)合材料，熱壓燒結(jié)法可以通過調(diào)控各組分的含量制備出性能可調(diào)的復(fù)合材料，但也存在一些缺點，如對原材料要求比較高，增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)不易超過 55%，否則復(fù)合材料很難致密。

放電等離子燒結(jié)法：利用上、下模沖及通電電極產(chǎn)生的脈沖在粉末間形成等離子體放電，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻實現(xiàn)復(fù)合材料快速成型的一種新型的粉末冶金技術(shù)。因具有低電壓、高電流，粉末在較短的時間內(nèi)完成燒結(jié)并實現(xiàn)致密化。盡管放電等離子燒結(jié)法具有快的升溫速度，簡單的工序，較短的燒結(jié)時間，但由于放電等離子體燒結(jié)也受限于金剛石的體積分?jǐn)?shù)，很難實現(xiàn)超高熱導(dǎo)率，而進(jìn)一步增加金剛石的體積分?jǐn)?shù)又燒結(jié)不致密。

擠壓鑄造法：其原理是指半固態(tài)或液態(tài)金屬在壓力的作用下充型與冷卻，最后凝固成形的一種技術(shù)。采用擠壓鑄造法制備金剛石/銅復(fù)合材料時，需要將金剛石顆粒放入模具腔體中搖勻振實，然后注入熔融的金屬(單質(zhì)或合金)液體，并施加壓力。該方法制備復(fù)合材料需要對模具的形狀進(jìn)行設(shè)計，而且澆注的金屬液體的熔點不易過高，所以此方法多用于制備金剛石/鋁復(fù)合材料。

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噴射沉積法：通過把兩種混好的粉末放入到爐膛中，經(jīng)過金屬熔融、液態(tài)金屬霧化過程后噴射沉積在基體板上。其優(yōu)點是能一步完成物料的混合、噴射與復(fù)合材料的沉積，能快速凝固，解決了增強(qiáng)顆粒相在金屬熔體中的凝固偏析和偏聚問題，同時因為冷卻速度快，也解決了復(fù)合材料中各組分間發(fā)生過激的界面反應(yīng)，其示意圖如下。

熔滲法：此方法是利用熔點比增強(qiáng)體低的金屬或合金在熔融狀態(tài)下填充多孔增強(qiáng)體預(yù)制塊8的工藝，孔隙率即是基體填充的體積分?jǐn)?shù)，熔滲可分為無壓熔滲與壓力熔滲。無壓熔滲法一般制備潤濕角小于90°(潤濕性良好)的兩種材料，其主要依靠預(yù)制塊內(nèi)部的孔隙對金屬熔體產(chǎn)生毛細(xì)管力將金屬熔體吸入內(nèi)部。而壓力熔滲是在金屬熔點以上溫度，通過施加機(jī)械壓力或者惰性氣體壓力使金屬熔體滲入預(yù)制塊的間隙中。與無壓熔滲相比，壓力熔滲制備所需的時間更短，獲得的復(fù)合材料更致密，因此備受研究者的青睞。

金剛石/銅復(fù)合材料熱導(dǎo)率主要受限于復(fù)合材料界面設(shè)計、制備工藝，具體來說是銅基體、金剛石的本征熱導(dǎo)率，金剛石的體積分?jǐn)?shù)、顆粒大小，此外兩者界面情況的改善也尤為重要。一般選擇晶型完整，氮含量低，100-500 um大小的金剛石作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，防止表面轉(zhuǎn)化為類石墨相，提高復(fù)合材料中金剛石的體積分?jǐn)?shù)，有助于獲得高質(zhì)量的金剛石/銅復(fù)合材料。

面對功率密度不斷提高的半導(dǎo)體元器件，金剛石/金屬復(fù)合材料能否實現(xiàn)為其快速退熱值得期待。歡迎參與第四屆國際碳材料大會暨產(chǎn)業(yè)展覽會，與中南大學(xué)魏秋平副教授共同探討《金剛石在電子封裝和相變儲熱智能溫控領(lǐng)域的應(yīng)用研究》。

同時，大會也有幸邀請魏秋平老師作為Workshop主席，共同探討金剛石復(fù)合材料在導(dǎo)熱散熱領(lǐng)域的機(jī)遇和發(fā)展之路。