金刚石表面镀钨对铜_金刚石复合材料热导率的影响

１ 引 言
随着微电子技 术 的 发 展 ， 电子元器件向小型化及 大功率化方向发 展 ， 单位面积电子元器件散热量大幅 度增加 ， 导致电子元器件工作温度增高 ， 降低了其稳定 性与使用寿命 。 需 要 尽 快 的 将 生 成 的 热 量 散 发 出 去 ， １］ 。 金刚石由于其优异的物理 亟需新一代的散热材料 ［ ／ 热膨胀系数为 性能 ， 热导 率 为 １ ０ ０Ｗ ｍＫ， ５ ０ ０～２ ０ －６ 使用 金 刚 石 增 强 金 属 基 体 制 备 复 合 材 Ｋ， ０ ／ １． ５×１ 料作为新一代的 散 热 材 料 具 有 巨 大 的 潜 力 ， 引起研究 ［ ］ ２ ４ － 。目 前 研 究 的 重 点 是 Ａ ／ 人员 的 广 泛 关 注 ａ ｌ ｄ ｉ －
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（ ） 文章编号 ： ９ ７ ３ ０ １ ０ ０ ４ １ １ ２ ０ １ ６ ０ １ ３ ４ １ ０ ０ － － －
金刚石表面镀钨对铜／ 金刚石复合材料热导率的影响
张海龙１， 张少明２， 张 洋１， 王西涛１ 李建伟１，
（ 北京 １ １．北京科技大学 新金属材料国家重点实验室 ， ０ ８ ３； ０ ０ ） ， 北京有色金属研究总院 国家有色金属复合材料工程技术研究中心 北京 １ ２． ０ ８ ８ ０ ０ 摘 要： 利用粉末覆盖烧结法成功在金刚石表面镀 （ ／ 复 并采用气体压力熔渗法制备 Ｃ 覆 Ｗ， ａ ｍ ｏ ｎ ｄ Ｗ） ｕ ｄ ｉ 合材料 。 研究了不同镀覆温度对镀层微观结构以及复 合材料热导率 的 影 响 。 结 果 表 明 ， 金刚石表面镀钨有 效的改善了界 面 结 合 ， 提 高 了 复 合 材 料 热 导 率。 镀 层 厚度随镀覆温 度 的 提 高 而 明 显 增 加 ， 复合材料热导率 。 先增高 再 降 低 当 镀 覆 工 艺 为 １ ５ｍ ｉ ｎ ０ ５ ０ ℃保温１ 时， 镀层厚度为 ２ 复合材料热导率最高可达到 ｍ， ０ ０ ０ｎ ／ ６ ｍＫ。 ７ ０Ｗ 关键词 ： 复 合 材 料； 气体压力熔 金刚石 表 面 金 属 化 ； ； 渗法 热导率 文献标识码 ： 中图分类号 ： ３ Ａ Ｂ ３ Ｔ ／ ： ９ ７ ３ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ １ １． ２ ０ １ ６． ０ １． ０ ０ ７ Ｄ Ｏ Ｉ １ － ｊ
］ ７ ８， １ １ １ ３ － － 与基体合金 员主 要 采 用 金 刚 石 表 面 金 属 化 ［ ［ ］ １ ４ １ ７ － 这两种方法 ， 化 从外界引入或者原位生成碳化物
层来改善界面 结 合 。 与 基 体 合 金 化 相 比 ， 金刚石表面 镀覆使碳化物 直 接 作 用 在 界 面 处 ， 且不会因为引入合 金元素改变基体 的 热 导 率 ， 是更为直接有效的改善界 面结合的方法 。 热 导 率 较 高， 且 ＷＣ 与铜之间具有良好的 润 湿 性 ，
其中 ，
ｅ ｆ ｆ ｋ ｄ ＝
在复合材料中 的 体 积 分 数 ， ｈ ｃ代 表 界 面 热 导 。 本 文 中 金刚石体积分数则由密 金刚石的平均半 径 为 ８ ３μ ｍ， 度反推 可 得 。 测 量 未 镀 覆 的 金 刚 石 增 强 铜 基 复 合 材
上的最高热导率
ｅ ｆ ｆ ｋ ｋ ／ ｃ １ ｃ ｄ －ｋ ３ （ ） （ １－Ｖｄ） ＝ ｅ ｆ ｆ ｋｍ ｋ ｋ － ｍ ｄ
（ ） １
ｋ ｄ ｋ ｄ １＋ ａ ｈｃ 增强体金刚石以及复 ｋｍ ， ｋ ｄ和 ｋ ｃ分别代表基体铜 ， 。 合材料的热导率 ａ 和 Ｖｄ代表金刚石颗粒的半径以及
［ ］ １ ９ ， 更高的 Ｗ 或者 Ｗ２Ｃ 因此表面较为疏松 。 图 ３ 为镀 钨金刚石颗粒镀层元素含量深度变化 Ａ Ｅ Ｓ 分析 。
图 １ 不同镀覆温度金刚石 Ｘ Ｒ Ｄ图 ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｃ ｏ ａ ｔ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｉ １Ｘ Ｒ Ｄ Ｆ ｐ ｐ ｇ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｐ 当镀覆温度为 ９ 金刚石表面镀层由 ５ ０ ℃ 时， ＷＯ Ｗ， Ｗ２Ｃ 以及 ＷＣ 组 成 。 在 最 靠 近 金 刚 ＷＯ ２． ２， ２， ７ 石表面一侧 ， 碳 原 子 浓 度 较 高， 易 形 成 ＷＣ， 随着镀覆
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［ ２ ０］ 研究复合材料理论 利用微分有效 介 质 模 型 （ Ｄ ＥＭ）
图 ３ 利用俄歇进一步分析不同镀覆温度对镀层厚 度的影响 。 选 取 １ ４％ 作 为 分 析 深 度 。 当 镀 覆 ６％ ～８ 镀层相对厚度分别 温度从 ９ １ ５ ０ ℃ 升高 至 １ ５ ０ ℃ 时， 为１ ０ ０ 以及 ４ ０ ０ ０ｎ ｍ。 随着温度的升高镀层厚 ０ ０， ２ ０ 度明显增加 。 ３． ３ 复合材料微观形貌观察 ／ 利用镀覆的金 刚 石 颗 粒 制 备 Ｃ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ复合材 ｕ ｄ ｉ 料 。 其表面形貌为图 ４ 所示 。 金刚石均匀分布在基体 中， 同时与基体 结 合 良 好 。 而 碳 化 物 则 稳 定 存 在 于 铜 与金刚石的界 面 处 ， 未 发 现 往 基 体 中 扩 散。 这 表 明 金 刚石表面镀钨 有 效 的 改 善 了 界 面 结 合 ， 提高复合材料 的制备质量 。
金刚石表面镀钨对铜／金刚石复合材料热导率的影响 李建伟 等 ：
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３ 结果与讨论
３． １ 镀覆温度对镀层物相的影响 图 １ 为金刚石在不同镀覆温度下的 Ｘ Ｒ Ｄ 图谱 。
反应的进行 ， 镀层 增 厚 ， 阻 碍 碳 原 子 往 外 扩 散， 此时易 最 外 层 则 可 能 为 未 反 应 的 Ｗ、 生成 Ｗ２Ｃ， ＷＯ ２或者 与金 ＷＯ ＷＯ ２． ３ 大 量 升 华， ７ ２ 。 随着镀 覆 温 度 的 升 高 ， 刚石反应更为充分 ， 因此金刚石表面各种 Ｗ 的 组成相 吸附在 均得到提高 。 当 镀 覆 温 度 升 高 至 １ １ ５ ０ ℃ 时， 金刚石表面的 ＷＯ 金刚石表面的碳原子 ３ 还原较完全 ， 在高温下快速的往外扩散 ， 生成大量的 ＷＣ、 Ｗ２Ｃ。 ３． ２ 镀 钨 金 刚 石 微 观 形 貌 观 察 及 镀 层 元 素 含 量 随 深 度变化 从中观 察 图 ２ 所示为不同镀覆温度的 Ｓ ＥＭ 图 像 ， 可知 ， 随着镀覆温度的提高 ， 碳与 ＷＯ 镀层逐 ３ 反应加速 ， ［ ］ １ ８ ， 。 因此在 渐增厚 ＷＯ ５ ０ ℃就会发生升华现象 ３在８ ， 。 ， 镀覆时 金刚石表面存在较薄的镀层 温度升高 ９ ５ ０℃ 最 升华速率与反应速率加快 ， 镀层增厚 。 在１ ０ ５ ０ ℃时， 外边的镀层致密 ， 且晶粒粗大 。 这有可能是 ＷＯ ２相 。 当 镀覆温度达到 １ ＷＯ １ ５ ０ ℃ 时， ２ 大部分被还原生成密度
图 ２ 不同镀覆温度金刚石表面形貌 Ｆ ｉ ２Ｓ ＥＭ ｉ ｍ ａ ｅ ｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｃ ｏ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｇ ｇ ｐ ｐ
图 ３ 镀钨金刚石颗粒镀层元素含量深度变化 Ａ Ｅ Ｓ 分析 ｃ ｏ ａ Ｆ ｉ ３Ａ ｕ ｅ ｒ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｔ ｈ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ｆ ｏ ｒ Ｗ－ ｔ ｅ ｄ ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｇ ｇ ｐ ｐ ｙ ｐ ｐ ｐ
２ 实 验
２． １ 金刚石表面镀覆 将 ＭＢ 人造金刚 ４型８ ０ １ ０ ０目（ １ Ｄ ５ ０～１ ８ ０μ ｍ） － － （ ） 石粉末 河南黄河旋风股份有限公司 与过量的三氧化 钨（ 分析纯 ） 混合 ， 粒径为 ５～４ ０μ ｍ。 放入真空烧结炉 加 热 至 镀 覆 温 度。 镀 覆 中， 当 真 空 度 低 于 ０． ａ时， １Ｐ 均 高 于 ＷＯ 温度分别 选 择 ９ ５ ０， １ １ ５ ０ ℃（ ５ ０， １ ０ ３的 升 ［ １ ８］ ） ， 。 保温１ 华温度 ８ ５ｍ ｉ ｎ 这种金刚石与三氧 ５ ０℃ 化钨的粒 径 配 比 可 以 有 效 的 保 证 金 刚 石 表 面 覆 盖 均 匀 。 最后随炉冷至室温 。 取出粉末后过筛 。 ２． ２ 复合材料的制备 ／ 采用气 体 压 力 熔 渗 法 制 备 Ｃ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ 复合材 ｕ ｄ ｉ 料 。 将镀钨的金 刚 石 颗 粒 填 充 于 石 墨 模 具 中 ， 为了保 证金刚石 对 模 具 型 腔 的 充 分 填 充 以 及 实 验 的 可 重 复 性， 可多次少量 放 入 金 刚 石 并 振 荡 。 对 铜 块 按 规 格 切 割好 ， 打磨 、 酸洗后放置于石墨模具上方 。 最后整体放 入气体压力熔渗装置中 。 在加热前 对 炉 体 抽 真 空 ， 当 真 空 度 低 于 ０． ａ １Ｐ 时， 开始 加 热 。 升 温 至 １ 保 温 相 应 的 时 间。 １ ５ ０ ℃ 后， 随后冲入高纯氩气至所需的压力 ， 再保温一定时 间 ， 随 炉冷至室温 。 制备的原始复合材料利用激光切割以及 金刚石砂轮研磨 至 测 试 所 需 尺 寸 ， 热扩散系数测量所 。 需的样品尺寸为 １ ０ｍｍ×３ｍｍ ２． ３ 分析测试 观察镀覆金刚石 采用场发射扫描 电 镜 （ Ｓ ＥＭ） Ｆ Ｅ － 的形貌 以 及 复 合 材 料 的 微 观 形 貌 及 断 口 组 织 。 采 用 Ｘ Ｒ Ｄ 分析镀钨 金 刚 石 的 相 组 成 以 及 制 备 复 合 材 料 前 后相组成的变 化 。 利 用 Ａ Ｅ Ｓ研究不同镀覆工艺对镀 层厚度的影响 。
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其徳拜温度处于 金 刚 石 与 铜 之 间 ， 可形成有效的声子 特性中间层 ， 改善铜与金刚石之间的界面结合 ， 降低界 面热阻 ， 有效的 提 高 复 合 材 料 的 热 导 率 。 本 文 采 用 粉 末覆盖烧结法在 金 刚 石 表 面 镀 钨 ， 利用气体压力熔渗 ） 研究不同镀覆工艺 法（ 制备铜／金刚 石 复 合 材 料 ， Ｇ Ｐ Ｉ 对复合材料热导率的影响 。