晶體管作為集成電路的基本元件，在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)計(jì)算中起著舉足輕重的作用。對(duì)提高計(jì)算速度的不懈追求和對(duì)電子器件小型化的持續(xù)需求，加速了新型材料、工藝和晶體管設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。目前，單個(gè)14納米芯片就可容納數(shù)億個(gè)晶體管，以滿(mǎn)足電子設(shè)備的需求。電子設(shè)備熱流量和封裝密度的不斷增加，擴(kuò)大了市場(chǎng)對(duì)具有高熱導(dǎo)率（TC）和合適熱膨脹系數(shù)（CTE）的散熱材料的需求。

       金屬基復(fù)合材料，尤其是銅基復(fù)合材料，用碳纖維 、碳納米管 、石墨片和金剛石顆粒等高導(dǎo)熱碳材料增強(qiáng)，有望成為下一代電子封裝材料。其中，金剛石顆粒增強(qiáng)銅基（銅/金剛石）復(fù)合材料因其超高的熱導(dǎo)率和可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù)而備受關(guān)注。火花等離子燒結(jié)和氣壓滲透被廣泛用于制備銅/金剛石復(fù)合材料。近年來(lái)，熱鍛和壓釬焊等新興技術(shù)也被用于制備銅/金剛石復(fù)合材料，顯示出優(yōu)異的性能和突出的應(yīng)用潛力。

       據(jù)我們所知，研究人員已經(jīng)將銅/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高到了創(chuàng)紀(jì)錄的1050Wm-1K-1。此外，銅/金剛石復(fù)合材料還具有較低、可調(diào)和各向同性的CTE特性。銅基體與金剛石增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合質(zhì)量對(duì)于確定銅/金剛石復(fù)合材料的CTE至關(guān)重要。

       Chung等人研究了銅基體中鈦含量對(duì)銅鈦/金剛石復(fù)合材料CTE的影響，結(jié)果表明隨著鈦含量從0.52%增加到1.02%，CTE值從5.9降到5.1×10-6 K-1。CTE值的降低是由于鈦含量越高，界面結(jié)合力越強(qiáng)。Bai 等人指出，在Cu基體中添加硼可改善銅硼/金剛石復(fù)合材料的界面結(jié)合并降低其CTE。除了界面結(jié)合強(qiáng)度，金剛石體積分?jǐn)?shù)也會(huì)影響銅/金剛石復(fù)合材料的熱膨脹行為。Kang等人、Hu等人和 Sinha等人認(rèn)為，由于金剛石的熱膨脹系數(shù)（1.0×10-6 K-1）比銅（16.5×10-6 K-1）低，銅/金剛石復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨金剛石體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。

       雖然有文獻(xiàn)已論述了金剛石體積分?jǐn)?shù)和界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)銅/金剛石復(fù)合材料CTE的影響，但金剛石粒度對(duì)銅/金剛石復(fù)合材料CTE的影響仍不清楚。人們普遍認(rèn)為，在從制造溫度冷卻到室溫的過(guò)程中，金屬基體和增強(qiáng)體之間的CTE差會(huì)在基體中產(chǎn)生大量熱應(yīng)力。因此，在基體/增強(qiáng)材料界面附近的基體中會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，位錯(cuò)會(huì)增強(qiáng)基體，這被稱(chēng)為熱膨脹失配增強(qiáng)。

       Chawla和Metzger對(duì)Cu-W復(fù)合材料進(jìn)行了研究，觀(guān)察到Cu/W界面的Cu基體中存在較高的位錯(cuò)密度。原子模擬也揭示了在冷卻過(guò)程中Cu/SiC復(fù)合材料的Cu基體中位錯(cuò)的形成。Yan和Geng指出，由于Al基體中的強(qiáng)化效應(yīng)，Al/SiC復(fù)合材料的CTE會(huì)隨著SiC粒徑的減小而降低。對(duì)于通過(guò)金屬基合金化制備的銅/金剛石復(fù)合材料，銅基體中的合金元素與金剛石表面的碳原子反應(yīng)形成界面碳化物。由于不同粒度金剛石的總界面反應(yīng)面積不同，銅基體中特定含量的合金元素會(huì)形成不同數(shù)量的界面碳化物，從而導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度的差異。金剛石粒度決定的界面碳化物演化和基體強(qiáng)化效應(yīng)都會(huì)影響銅/金剛石復(fù)合材料的CTE。界面結(jié)合強(qiáng)度和基體增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)銅/金剛石復(fù)合材料熱膨脹的協(xié)同效應(yīng)有待闡明。

       銅基金剛石復(fù)合材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

       圖（a）和（b）顯示了原始金剛石顆粒的掃描電鏡圖像，這些顆粒形狀一致、大小均勻，呈現(xiàn)出具有六個(gè)矩形（100）平面和八個(gè)六角形（111）平面的立方八面體結(jié)構(gòu)。圖（c）顯示了不同金剛石顆粒大小的銅-硼/金剛石復(fù)合試樣的CTE測(cè)量結(jié)果。圖（d）展示了試樣272的表面形態(tài)，其中深色六邊形區(qū)域代表金剛石顆粒，淺色區(qū)域代表銅基體。金剛石顆粒均勻地分散在銅基體中，復(fù)合材料表面沒(méi)有觀(guān)察到裂縫或脫落的顆粒，這表明金剛石和銅基體之間的界面結(jié)合緊密。

金剛石顆粒和復(fù)合試樣的掃描電鏡 圖源：論文

       銅基金剛石復(fù)合材料的熱膨脹性能

       下圖展示了銅-硼/金剛石復(fù)合材料的熱膨脹特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的銅-硼/金剛石復(fù)合材料隨溫度升高的熱應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖（a）。不同金剛石粒度的復(fù)合材料具有相似的熱膨脹趨勢(shì)。熱應(yīng)變隨著溫度的升高而持續(xù)增加。隨著溫度的升高，促進(jìn)了銅原子間的熱振動(dòng)，導(dǎo)致原子間距離擴(kuò)大，宏觀(guān)體積增大。值得注意的是，熱應(yīng)變曲線(xiàn)逐漸偏離初始應(yīng)變曲線(xiàn)的切線(xiàn)（虛線(xiàn)），這意味著熱應(yīng)變速率在初始加熱階段較慢，然后開(kāi)始加速。在從制造溫度冷卻到室溫的過(guò)程中，由于金屬基體和增強(qiáng)材料之間的CTE差異，會(huì)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。它們?cè)诮饘倩w中表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在界面附近的增強(qiáng)材料中表現(xiàn)為壓應(yīng)力。在CTE測(cè)試的初始加熱階段，銅基體中的拉應(yīng)力被釋放，在這一應(yīng)力松弛過(guò)程中，銅基體的膨脹相對(duì)較小，因此熱應(yīng)變率較低。隨著拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，Cu基體的熱應(yīng)變速率開(kāi)始隨著測(cè)試溫度的升高而加快。

銅-硼/金剛石復(fù)合材料的熱膨脹特性  圖源：論文

       圖（b）描述了平均線(xiàn)性 CTE 隨溫度從 323 K 到 673 K 的變化。圖（c）顯示了在 323K下測(cè)得的各種金剛石粒度的CTE值。圖（d）將 Cu-硼/金剛石復(fù)合材料的 CTE與以前的研究進(jìn)行了比較。由于界面鍵合較弱，未改性的Cu/金剛石復(fù)合材料（黑色實(shí)心點(diǎn)）的CTE明顯高于合金Cu/金剛石和Cu/涂層金剛石復(fù)合材料。本研究中Cu-硼/金剛石復(fù)合材料的CTE值與文獻(xiàn)中改性的Cu/金剛石復(fù)合材料的CTE值相當(dāng)。這可以從兩個(gè)方面來(lái)解釋。首先，硼的CTE低于Cu。遵循混合物規(guī)則（ROM），Cu-硼 合金的CTE低于Cu，有助于降低復(fù)合材料的CTE。其次，增強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度降低了復(fù)合材料的CTE。界面碳化物的形成顯著增強(qiáng)了界面結(jié)合。該界面有效地將熱應(yīng)力從 Cu 基體傳遞到金剛石，有助于降低 Cu-硼/金剛石復(fù)合材料的CTE。

       總之，銅-硼/金剛石復(fù)合材料的CTE變化受三個(gè)因素的影響。金剛石體積分?jǐn)?shù)越大，CTE值越低。除金剛石體積分?jǐn)?shù)外，界面碳化物量的界面結(jié)合強(qiáng)度和金剛石粒度的基體強(qiáng)化效應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)也會(huì)影響復(fù)合材料的CTE。

以上內(nèi)容整理自北京科技大學(xué)相關(guān)研究成果

（https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.10.151）