熔渗法制备二维散热用（鳞片状石墨+金刚石颗粒）/铜复合材料的相关基础问题研究

Graphite flakes and diamond particles reinforced copper matrix composites with two-dimensional cooling function will be prepared in this project. This composits can take full advantage of two-dimensional high thermal conductivity of flake furface of graphite flakes and high thermal conductivities of diamond particles and copper matrix, and can meet the needs of semiconductor devices with new heat dissipation structure on two-dimensional heat dissipation materials. Through the research on some key scientific and technology points such as surface metal modification of graphite flakes and diamond particles, orientation forming of graphite flake and Cu melt infiltration behavior, the effect mechanism of surface metal modification of graphite flakes and diamond particles on interface structure and interfacial thermal resistance of the composite, as well as the action regularity and mechanism of flake graphite and diamond particles on two-dimensional thermal performance of the composites will be revealed to lay the theoretical and technical foundation for the development of high-performance semiconductor cooling materials. The research is of great significance for promoting the application of high-performance copper matrix composites and meeting the modern semiconductor industry.

本项目针对新型散热结构半导体器件对具有高导热率、二维散热材料的需求，充分利用鳞片状石墨鳞片状面的高导热率、自取向性以及金刚石颗粒的高导热率，选用铜作为基体金属，将三者结合起来，制备具有二维散热功能的鳞片状石墨和金刚石颗粒混合取向增强铜基复合材料，通过对鳞片状石墨与金刚石颗粒表面金属化改性、鳞片状石墨取向成形、Cu熔浸行为等对材料的热物理性能有显著影响的关键科学与技术问题进行研究，揭示鳞片状石墨与金刚石颗粒表面金属化改性对复合材料界面结构与界面热阻的影响机理，以及鳞片状石墨与金刚石颗粒对复合材料二维散热性能的作用规律及机理，为发展高性能半导体散热材料奠定理论与技术基础。该研究成果对于促进高性能铜基复合材料的应用，满足现代半导体工业的发展具有重要的意义。

近年来随着电子封装的发展，对封装材料的性能提出了越来越高的要求，即要求具有很高的导热系数（TC），同时也要有适当的热膨胀系数（CTE），以尽量减少热应力所产生的问题。然而，单一的金属或陶瓷材料很难同时具有高TC和低CTE，金属基复合材料提供了满足热控制需求的可能性。鳞片石墨具有高的导热率和低的膨胀系数，而金属铜具有高的导热率，将鳞片石墨与铜复合有望获得优异的二维散热性能。但是鳞片石墨与铜二者不反应，不互溶，界面结合较差，导致复合材料的性能，尤其是力学性能较差。.本项目针对鳞片石墨与铜界面结合差的问题，提出了鳞片石墨表面镀镍、表面盐浴镀铬以及在基体中添加铬三种办法来对鳞片石墨与铜的界面进行改性，并分别对改性后的界面结构、导热性能、热膨胀系数、抗弯强度等性能进行了系统的研究，最终发现在铜基体中直接加入适量的Cr粉末为最佳的方法。通过在铜基体中添加Cr的方法，可以有效改善鳞片石墨与铜的界面结合，大幅度提高材料的综合性能。Cr的添加主要是通过粉末的形式直接加入到铜基体粉末中，并在热压过程中扩散到鳞片石墨与铜基体的界面处，从而改善二者的界面结合，该方法相比盐浴镀覆的方法更为简单，所制备的材料性能更高，在X-Y方向，在50 vol.% 鳞片石墨/Cu复合材料中添加了2.0 wt.% Cr 之后，其导热率从560 W m1 K1提高到了628 W m1 K1，抗弯强度几乎增加了一倍，从53.8 MPa（GF/Cu）增加到93MPa。由于Cr的添加，Z方向的CTE明显降低，随着Cr含量从0 wt.%增加到5.0 wt.%，复合材料在测量温度150℃时的热膨胀系数逐渐从9.4 ppm K1降低到3.2 ppm K1。更为重要的是该材料具有良好的加工性能，这就使得该材料在电子封装领域具有非常广泛的应用前景，有望替代目前的金刚石/Cu、金刚石/Al等材料在实际工程中获得广泛的应用。另外，以本项目的相关研究结果为基础，共发表论文10篇，其中9篇在SCI源刊发表，2篇在国际权威杂志Carbon上发表；申请专利7项，全部获得授权；另外培养研究生4名，顺利完成了课题的各项指标。