新一代高导热金属基复合材料界面热导研究进展
发布时间：2021-03-27 02:27
热物理性质不同的材料之间存在界面热阻,界面热阻对热传输过程产生极大的影响,并在很大程度上决定了复合材料的导热性能。金刚石颗粒增强金属基复合材料（Metal matrix composites,MMCs）充分发挥了金刚石的高热导率和低热膨胀系数的优点,有望获得高的热导率以及与半导体相匹配的热膨胀系数,可满足现代电子设备在散热能力上提出的越来越高的要求,作为新一代电子封装材料已引起广泛关注。界面热导（界面热阻的倒数）既是决定复合材料导热能力的关键因素,也是研究的难点,复合材料制备工艺、界面改性方式（金属基体合金化或金刚石表面金属化）以及改性金属种类均会影响界面热导。详细论述了界面热导理论及实验研究的最新成果,并对金刚石/金属复合材料在未来研究中面临的主要问题进行探讨。
【文章来源】：材料导报. 2017,31(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１电子设备中各部件之间的界面Ｆｉｇ．１Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｖａｒｉｏｕｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎ
快、集成化更高、小型化、性能要求更高的方向发展，高效的散热能力是保证下一代电子设备性能和可靠性的必要条件［８］。如图１所示，为了提高电子器件的散热能力，除了需要在宏观界面处填充热界面材料之外，基板也需要采用高导热的电子封装材料。第一代电子封装材料如Ｉｎｖａｒ、Ｋｏｖａｒ、Ｃｕ／Ｗ、Ｃｕ／Ｍｏ和第二代电子封装材料如Ａｌ／ＳｉＣ、Ｃｕ／ＳｉＣ的热导率均低于３００Ｗ／（ｍ·Ｋ），不能满足激光器、ＬＥＤ、集成电路等高功率器件苛刻的散热要求。由图２可见，与传统电子封装材料相比，金刚石颗粒增强金属基复合材料（金刚石／金属复合材料）不仅具有高的热导率，而且与半导体材料的热膨胀系数相匹配，因此成为新一代电子封装材料的研究热点。金刚石是自然界中热导率最高的物质，为高导热金属Ｃｕ的４～５倍，因此将其作为增强相与高导热金属复合，理论上应具有优良的导热性能。然而前期研究表明，在一般的制备条件下，金刚石由于本身的结构稳定性和显著的化学惰性而极难与金属基体实现良好的界面结合，从而限制了金刚石优异性能的充分发挥。两相之间的界面对复合材料导热性能起着至关重要的作用［９－１１］，正因如此，两相界面优化是金刚石／金属复合材料研究所面临的关键问题。当前，界面优化方法可以划分为金属基体合金化、金刚石表面金属化和先进成型技术３种［１２］。通过界面优化，可在金刚石与金属基体之间形成一层碳化物，提高界面结合强度，减少界面缺陷，从而提高界面热导。图２金刚石颗粒增强金属基复合材料的热导率和热膨胀系数与传统封装散热材料的比较［１３］Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉ
测光相对抽运光到达样品表面的时间差，如图５（ｄ）所示。通过探测器测量经表面反射后探测光的强度，当位移平台处于不同位置时可以获得抽运光加热材料表面后不同时间的探测光强的相对变化，从而获得样品表面温度随时间的变化曲线，这条曲线可以反映样品内部的热传导过程，在随后的数据解析过程中，结合适当的热输运模型即可得到微纳米尺度薄层的界面热导。ＴＤＴＲ具有纳米级的分辨率，是研究微纳尺度下材料界面热导的有力工具，对于纳米尺度材料而言，可以说是目前行之有效的唯一实验手段［１５］。图５ＴＤＴＲ法信号转换的原理图［１６］Ｆｉｇ．５ＳｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｆｏｒＴＤＴＲｍｅｔｈｏｄ［１６］图６ＴＤＴＲ测试系统基本装置示意图Ｆｉｇ．６ＢａｓｉｃｄｅｖｉｃｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＴＤＴＲｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ３金刚石颗粒增强金属基复合材料界面热导的主要影响因素影响金刚石颗粒增强金属基复合材料的导热性能的因·７５新一代高导热金属基复合材料界面热导研究进展／常·国等
【参考文献】：
期刊论文
[1]液态金属填充型硅脂导热性能实验研究[J]. 梅生福,高云霞,邓中山,刘静. 工程热物理学报. 2015(03)
[2]金刚石颗粒增强金属基高导热复合材料的研究进展[J]. 王西涛,张洋,车子璠,李建伟,张海龙. 功能材料. 2014(07)
[3]Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials[J]. 夏扬,宋月清,林晨光,崔舜,方针正. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
博士论文
[1]飞秒激光抽运探测法纳米材料及界面热输运机理研究[D]. 祝捷.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2011
本文编号：3102702
【文章来源】：材料导报. 2017,31(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１电子设备中各部件之间的界面Ｆｉｇ．１Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｖａｒｉｏｕｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎ
快、集成化更高、小型化、性能要求更高的方向发展，高效的散热能力是保证下一代电子设备性能和可靠性的必要条件［８］。如图１所示，为了提高电子器件的散热能力，除了需要在宏观界面处填充热界面材料之外，基板也需要采用高导热的电子封装材料。第一代电子封装材料如Ｉｎｖａｒ、Ｋｏｖａｒ、Ｃｕ／Ｗ、Ｃｕ／Ｍｏ和第二代电子封装材料如Ａｌ／ＳｉＣ、Ｃｕ／ＳｉＣ的热导率均低于３００Ｗ／（ｍ·Ｋ），不能满足激光器、ＬＥＤ、集成电路等高功率器件苛刻的散热要求。由图２可见，与传统电子封装材料相比，金刚石颗粒增强金属基复合材料（金刚石／金属复合材料）不仅具有高的热导率，而且与半导体材料的热膨胀系数相匹配，因此成为新一代电子封装材料的研究热点。金刚石是自然界中热导率最高的物质，为高导热金属Ｃｕ的４～５倍，因此将其作为增强相与高导热金属复合，理论上应具有优良的导热性能。然而前期研究表明，在一般的制备条件下，金刚石由于本身的结构稳定性和显著的化学惰性而极难与金属基体实现良好的界面结合，从而限制了金刚石优异性能的充分发挥。两相之间的界面对复合材料导热性能起着至关重要的作用［９－１１］，正因如此，两相界面优化是金刚石／金属复合材料研究所面临的关键问题。当前，界面优化方法可以划分为金属基体合金化、金刚石表面金属化和先进成型技术３种［１２］。通过界面优化，可在金刚石与金属基体之间形成一层碳化物，提高界面结合强度，减少界面缺陷，从而提高界面热导。图２金刚石颗粒增强金属基复合材料的热导率和热膨胀系数与传统封装散热材料的比较［１３］Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉ
测光相对抽运光到达样品表面的时间差，如图５（ｄ）所示。通过探测器测量经表面反射后探测光的强度，当位移平台处于不同位置时可以获得抽运光加热材料表面后不同时间的探测光强的相对变化，从而获得样品表面温度随时间的变化曲线，这条曲线可以反映样品内部的热传导过程，在随后的数据解析过程中，结合适当的热输运模型即可得到微纳米尺度薄层的界面热导。ＴＤＴＲ具有纳米级的分辨率，是研究微纳尺度下材料界面热导的有力工具，对于纳米尺度材料而言，可以说是目前行之有效的唯一实验手段［１５］。图５ＴＤＴＲ法信号转换的原理图［１６］Ｆｉｇ．５ＳｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｆｏｒＴＤＴＲｍｅｔｈｏｄ［１６］图６ＴＤＴＲ测试系统基本装置示意图Ｆｉｇ．６ＢａｓｉｃｄｅｖｉｃｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＴＤＴＲｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ３金刚石颗粒增强金属基复合材料界面热导的主要影响因素影响金刚石颗粒增强金属基复合材料的导热性能的因·７５新一代高导热金属基复合材料界面热导研究进展／常·国等
【参考文献】：
期刊论文
[1]液态金属填充型硅脂导热性能实验研究[J]. 梅生福,高云霞,邓中山,刘静. 工程热物理学报. 2015(03)
[2]金刚石颗粒增强金属基高导热复合材料的研究进展[J]. 王西涛,张洋,车子璠,李建伟,张海龙. 功能材料. 2014(07)
[3]Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials[J]. 夏扬,宋月清,林晨光,崔舜,方针正. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
博士论文
[1]飞秒激光抽运探测法纳米材料及界面热输运机理研究[D]. 祝捷.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2011
本文编号：3102702
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