随着随电子器件向小型化和集成化方向发展,单位面积芯片产生的热流密度越来越大,对散热的需求日益增高。金刚石/Al复合材料因其轻质、低密度、高热导率和热膨胀系数可调等优点广泛应用于电子封装领域,然而其界面产物AlC容易水解失效,导致复合材料性能恶化,本文综述了一系列金刚石/Al复合材料热导率相关文献并作出展望,为金刚石/Al复合材料的开发和优化提供指导。
本文归纳总结了四种抑制AlC、提高金刚石/Al界面结合强度并提高热导率的方法。第一、在制备金刚石/Al复合材料的工艺过程中进行调控,通过调整制备工艺、时间、温度和压力等调控金刚石-Al界面结构,避免或抑制AlC相生成或改善其结构,从而使热导率提高。第二、对金刚石表面化学改性,通过对金刚石进行无气氛或气氛加热、等离子体处理等手段,改变金刚石与Al的连接界面,增加界面结合性能。第三、对金刚石表面涂层化处理,即在金刚石表面形成金属或非金属涂层,隔绝金刚石C和金属Al的扩散反应。第四、进行基体合金化处理,即在Al中添加合金元素利用其与金刚石C在高温下的热扩散反应,形成化合物,阻碍界面AlC形成。
(1)金刚石/Al复合材料的界面产物AlC倾向于在(100)晶面上形成,其形成会增强界面结合,但是其易水解的特性会导致复合材料在使用过程中失效。(2)界面调控通过抑制界面AlC相形成来提升金刚石/Al复合材料的热导率,整体提升效果较为有限。(3)金刚石表面化学改性通过把sp-C转变为sp-C,获得洁净表面或者将表面的H终端转变为O终端等方式改善金刚石/Al的界面结合,降低界面热阻,提升界面热传导,具有比界面调控更好的改善热导率的效果。(4)金刚石表面改性涂层和基体合金化都引入了新的金属或非金属元素,作用主要在界面处,通过抑制AlC生成或形成其他稳定的可以促进界面连接的物相,来实现热导率的提高,其热导率的提升与元素选取、界面层厚度和物相等多种因素相关。
抑制金刚石/Al复合材料界面产物AlC的形成可以有效提高热导率、防止在使用过程中的水解失效,能够制备出高效、稳定的金刚石/Al复合材料。
金刚石/Al复合材料兼具低密度、高热导率和热膨胀系数可调等优点,近年来成为新一代热管理材料的研究热点之一。但是,复合材料制备过程中金刚石和Al界面产物Al4C3会严重影响复合材料的性能,增大金刚石-Al界面热阻,并且其易水解的特性容易在使用过程中造成复合材料失效。本文从界面Al4C3相的负面作用入手,详细介绍了目前抑制界面Al4C3相的主要方法(包括界面调控、金刚石表面化学改性、金刚石表面改性涂层和基体合金化等)对复合材料界面和热导率的影响,最后对未来金刚石/Al复合散热材料的发展方向进行了展望。