金刚石/玻璃和金刚石/硅复合材料的制备和导热性能研究

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随着电子封装技术的飞速发展,电子器件对电子材料的散热有越来越高的需求。金刚石由于具有极高的热导率、低的热膨胀系数和优异的机械性能,成为散热复合材料研究的新热点。本文通过制备金刚石/玻璃、金刚石/硅复合材料试图开发两种导热性能良好的材料,分别可用于低温共烧陶瓷基板和热沉。   对于金刚石/玻璃复合材料的制备,本文采用放电等离子(SPS)烧结方法,通过未包覆金刚石颗粒与DM308玻璃粉复合烧结来优化SPS烧结工艺。由于熔融玻璃会对金刚石产生侵蚀,且对金刚石的润湿性能不好,因此需要对金刚石进行表面处理。本文通过对镀Cr金刚石进行控制氧化,获得一定厚度的Cr2O3层,按照优化工艺进行SPS烧结,研究和分析了金刚石粒度、含量、表面镀铬层对复合材料的致密度、表面和界面形貌、热导率等的影响。实验结果表明,对金刚石进行镀铬氧化处理可以改善玻璃对其润湿,提高金刚石/玻璃复合材料的致密度和热导率。金刚石体积含量为50%时,100μm镀铬金刚石/玻璃复合材料的热导率可达到11.26 W/m·K,约是传统低温共烧陶瓷材料的2倍。金刚石体积分数越高,SPS烧结越难实现金刚石/玻璃复合材料的致密烧结,严重影响热导率的提高。   对于金刚石/硅复合材料的制各,本文采用高温高压(HPHT)烧结方法。研究和分析了金刚石粒度、含量、渗硅、表面镀钛层对复合材料的致密度和热导率等的影响。结果表明,高温高压方法易于实现复合材料的致密烧结;渗硅和金刚石表面镀钛处理都可提高金刚石/硅复合材料的致密度和热导率,其中75/63μm镀铬金刚石颗粒与40/7μm金刚石颗粒的混粉,在质量分数为95%时高温高压渗硅烧结,金刚石/硅复合材料的热导率可高达468.3W/m·K,是一种较有前景的散热材料。   通过两种材料的研究对比,发现在大粒度金刚石粉中掺入小粒度金刚石粉,利于提高复合材料的致密度;在制备金刚石与玻璃粉、硅粉复合材料时,在金刚石表面镀覆碳化物形成元素Cr、Ti利于复合材料的致密烧结和导热性能提高。
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