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       晶体管作为集成电路的基本元件，在实现计算机计算中起着举足轻重的作用。对提高计算速度的不懈追求和对电子器件小型化的持续需求，加速了新型材料、工艺和晶体管设计方法的发展。目前，单个14纳米芯片就可容纳数亿个晶体管，以满足电子设备的需求。电子设备热流量和封装密度的不断增加，扩大了市场对具有高热导率（TC）和合适热膨胀系数（CTE）的散热材料的需求。

       金属基复合材料，尤其是铜基复合材料，用碳纤维 、碳纳米管 、石墨片和金刚石颗粒等高导热碳材料增强，有望成为下一代电子封装材料。其中，金刚石颗粒增强铜基（铜/金刚石）复合材料因其超高的热导率和可调节的热膨胀系数而备受关注。火花等离子烧结和气压渗透被广泛用于制备铜/金刚石复合材料。近年来，热锻和压钎焊等新兴技术也被用于制备铜/金刚石复合材料，显示出优异的性能和突出的应用潜力。

       据我们所知，研究人员已经将铜/金刚石复合材料的热导率提高到了创纪录的1050Wm-1K-1。此外，铜/金刚石复合材料还具有较低、可调和各向同性的CTE特性。铜基体与金刚石增强体之间的界面结合质量对于确定铜/金刚石复合材料的CTE至关重要。

       Chung等人研究了铜基体中钛含量对铜钛/金刚石复合材料CTE的影响，结果表明随着钛含量从0.52%增加到1.02%，CTE值从5.9降到5.1×10-6 K-1。CTE值的降低是由于钛含量越高，界面结合力越强。Bai 等人指出，在Cu基体中添加硼可改善铜硼/金刚石复合材料的界面结合并降低其CTE。除了界面结合强度，金刚石体积分数也会影响铜/金刚石复合材料的热膨胀行为。Kang等人、Hu等人和 Sinha等人认为，由于金刚石的热膨胀系数（1.0×10-6 K-1）比铜（16.5×10-6 K-1）低，铜/金刚石复合材料的热膨胀系数随金刚石体积分数的增加而降低。

       虽然有文献已论述了金刚石体积分数和界面结合强度对铜/金刚石复合材料CTE的影响，但金刚石粒度对铜/金刚石复合材料CTE的影响仍不清楚。人们普遍认为，在从制造温度冷却到室温的过程中，金属基体和增强体之间的CTE差会在基体中产生大量热应力。因此，在基体/增强材料界面附近的基体中会产生位错，位错会增强基体，这被称为热膨胀失配增强。

       Chawla和Metzger对Cu-W复合材料进行了研究，观察到Cu/W界面的Cu基体中存在较高的位错密度。原子模拟也揭示了在冷却过程中Cu/SiC复合材料的Cu基体中位错的形成。Yan和Geng指出，由于Al基体中的强化效应，Al/SiC复合材料的CTE会随着SiC粒径的减小而降低。对于通过金属基合金化制备的铜/金刚石复合材料，铜基体中的合金元素与金刚石表面的碳原子反应形成界面碳化物。由于不同粒度金刚石的总界面反应面积不同，铜基体中特定含量的合金元素会形成不同数量的界面碳化物，从而导致界面结合强度的差异。金刚石粒度决定的界面碳化物演化和基体强化效应都会影响铜/金刚石复合材料的CTE。界面结合强度和基体增强效应对铜/金刚石复合材料热膨胀的协同效应有待阐明。

       铜基金刚石复合材料的微观结构

       图（a）和（b）显示了原始金刚石颗粒的扫描电镜图像，这些颗粒形状一致、大小均匀，呈现出具有六个矩形（100）平面和八个六角形（111）平面的立方八面体结构。图（c）显示了不同金刚石颗粒大小的铜-硼/金刚石复合试样的CTE测量结果。图（d）展示了试样272的表面形态，其中深色六边形区域代表金刚石颗粒，浅色区域代表铜基体。金刚石颗粒均匀地分散在铜基体中，复合材料表面没有观察到裂缝或脱落的颗粒，这表明金刚石和铜基体之间的界面结合紧密。

金刚石颗粒和复合试样的扫描电镜 图源：论文

       铜基金刚石复合材料的热膨胀性能

       下图展示了铜-硼/金刚石复合材料的热膨胀特性。实验测得的铜-硼/金刚石复合材料随温度升高的热应变曲线见图（a）。不同金刚石粒度的复合材料具有相似的热膨胀趋势。热应变随着温度的升高而持续增加。随着温度的升高，促进了铜原子间的热振动，导致原子间距离扩大，宏观体积增大。值得注意的是，热应变曲线逐渐偏离初始应变曲线的切线（虚线），这意味着热应变速率在初始加热阶段较慢，然后开始加速。在从制造温度冷却到室温的过程中，由于金属基体和增强材料之间的CTE差异，会产生热残余应力。它们在金属基体中表现为拉应力，在界面附近的增强材料中表现为压应力。在CTE测试的初始加热阶段，铜基体中的拉应力被释放，在这一应力松弛过程中，铜基体的膨胀相对较小，因此热应变率较低。随着拉应力逐渐转化为压应力，Cu基体的热应变速率开始随着测试温度的升高而加快。

铜-硼/金刚石复合材料的热膨胀特性  图源：论文

       图（b）描述了平均线性 CTE 随温度从 323 K 到 673 K 的变化。图（c）显示了在 323K下测得的各种金刚石粒度的CTE值。图（d）将 Cu-硼/金刚石复合材料的 CTE与以前的研究进行了比较。由于界面键合较弱，未改性的Cu/金刚石复合材料（黑色实心点）的CTE明显高于合金Cu/金刚石和Cu/涂层金刚石复合材料。本研究中Cu-硼/金刚石复合材料的CTE值与文献中改性的Cu/金刚石复合材料的CTE值相当。这可以从两个方面来解释。首先，硼的CTE低于Cu。遵循混合物规则（ROM），Cu-硼 合金的CTE低于Cu，有助于降低复合材料的CTE。其次，增强的界面结合强度降低了复合材料的CTE。界面碳化物的形成显著增强了界面结合。该界面有效地将热应力从 Cu 基体传递到金刚石，有助于降低 Cu-硼/金刚石复合材料的CTE。

       总之，铜-硼/金刚石复合材料的CTE变化受三个因素的影响。金刚石体积分数越大，CTE值越低。除金刚石体积分数外，界面碳化物量的界面结合强度和金刚石粒度的基体强化效应的协同效应也会影响复合材料的CTE。

以上内容整理自北京科技大学相关研究成果

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