隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，通訊技術(shù)逐步邁入5G時(shí)代。半導(dǎo)體材料不斷更新?lián)Q代的同時(shí)，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(kāi)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(shì)，這勢(shì)必會(huì)造成電子元器件過(guò)熱。研究數(shù)據(jù)表明，芯片表面溫度達(dá)到 70~80℃時(shí)，溫度每增加1℃，芯片可靠性下降5%，超過(guò)55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過(guò)高引起的。要解決散熱問(wèn)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?gòu)?fù)合材料作為新一類電子封裝材料，經(jīng)過(guò)十余年的研發(fā)，逐漸走向舞臺(tái)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(guò)共價(jià)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(jià)鍵強(qiáng)度和少量碳原子作用下的直接結(jié)果。金屬通過(guò)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(dòng)（即聲子）完成。金剛石原子之間極強(qiáng)的共價(jià)鍵使剛性晶格具有高振動(dòng)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(huì)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(dòng)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(gè)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。

鋯剛玉砂圈,棕剛玉砂圈,碳化硅砂圈,陶瓷磨料砂圈,煅燒剛玉砂圈

（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(shí)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?yàn)殡娮釉峁┝己玫臋C(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(lái)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(diǎn)和熱點(diǎn)。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(jiǎn)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(jiǎn)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(lái)的，將金剛石顆粒與金屬粉混合均勻后放入預(yù)先設(shè)計(jì)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(guò)程即可得到復(fù)合材料，熱壓燒結(jié)法可以通過(guò)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(diǎn)，如對(duì)原材料要求比較高，增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)不易超過(guò) 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(shí)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(shí)間內(nèi)完成燒結(jié)并實(shí)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(jiǎn)單的工序，較短的燒結(jié)時(shí)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(shí)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(shí)，需要將金剛石顆粒放入模具腔體中搖勻振實(shí)，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(duì)模具的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且澆注的金屬液體的熔點(diǎn)不易過(guò)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(guò)把兩種混好的粉末放入到爐膛中，經(jīng)過(guò)金屬熔融、液態(tài)金屬霧化過(guò)程后噴射沉積在基體板上。其優(yōu)點(diǎn)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(wèn)題，同時(shí)因?yàn)槔鋮s速度快，也解決了復(fù)合材料中各組分間發(fā)生過(guò)激的界面反應(yīng)，其示意圖如下。

熔滲法：此方法是利用熔點(diǎn)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(wú)壓熔滲與壓力熔滲。無(wú)壓熔滲法一般制備潤(rùn)濕角小于90°(潤(rùn)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(duì)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(diǎn)以上溫度，通過(guò)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(wú)壓熔滲相比，壓力熔滲制備所需的時(shí)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(jì)、制備工藝，具體來(lái)說(shuō)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(duì)功率密度不斷提高的半導(dǎo)體元器件，金剛石/金屬?gòu)?fù)合材料能否實(shí)現(xiàn)為其快速退熱值得期待。歡迎參與第四屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)，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(chǔ)熱智能溫控領(lǐng)域的應(yīng)用研究》。

同時(shí)，大會(huì)也有幸邀請(qǐng)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。