隨著電子器件不斷向小型化、高功率方向發展，芯片和功率模塊的散熱問題日益突出。高導熱封裝材料成為電子產業的關鍵瓶頸之一。在眾多候選材料中，金剛石/鋁（diamond/Al）復合材(cai)(cai)料因其低(di)密度(du)、高導熱率、可(ke)調熱膨脹系(xi)數而備受關注。然而，該類材(cai)(cai)料在界面(mian)上(shang)容易(yi)生(sheng)成 Al?C?相，不僅降低(di)穩定性，還會在潮濕環境下發生(sheng)水解(jie)，導致性能迅速衰退。

       突破點：在金剛石表面構建均勻SiC界面層

       為解決上述難題，湖南大(da)學團隊提出了(le)一種(zhong)新方法(fa)：

       先(xian)利用 磁控濺(jian)射 在金(jin)剛(gang)石顆粒表面(mian)沉積一層均(jun)勻的硅（Si）預設層；

       再通過真空退火，使Si逐步轉化為碳化硅（SiC）；

       最終與鋁基體通過壓(ya)力浸滲(shen)結合，形成穩定的復合材料。

       這一策略(lve)避(bi)免了(le)金剛石與(yu)鋁直接(jie)接(jie)觸(chu)，有(you)效抑(yi)制了(le)Al?C?的大量(liang)生成，同時(shi)通過SiC層改(gai)善聲(sheng)子匹配(pei)，顯著提升了(le)界面(mian)熱導。相關成果以“Preparation of homogeneous SiC coating on diamond  particles by magnetron sputtering for diamond/Al

       composites with high thermal conductivity”為題，發表在(zai)《Ceramics International》期刊上。

       實驗結果與機理

       研(yan)究(jiu)團隊系(xi)統考察(cha)了(le)硅(gui)預設層在不同退火(huo)溫度下的(de)相變過程，發(fa)現其演變順(shun)序(xu)為(wei)非(fei)晶態(tai)Si、晶態(tai)Si、Si+SiC共存，最終在1300℃下完全轉化為(wei)均勻致密(mi)的(de)SiC層。這一SiC涂層厚度約為(wei)400納米，與(yu)金(jin)剛(gang)石(shi)結合牢固，即使(shi)在高溫下也不會開(kai)裂或剝落。相應地，界面結構由傳(chuan)統的(de)“金(jin)剛(gang)石(shi)–Al?C?–鋁”逐漸轉變為(wei)“金(jin)剛(gang)石(shi)–SiC–少量分散(san)Al?C?–鋁”，形成了(le)更穩定(ding)且有利于熱傳(chuan)導的(de)通道。

       在(zai)優(you)化后的界面作用下，復(fu)(fu)合材料的導(dao)(dao)熱(re)率實現(xian)了(le)顯(xian)著(zhu)提升。實驗結果顯(xian)示，最高熱(re)導(dao)(dao)率達到了(le)723 W·m?1·K?1，超越(yue)了(le)傳統制備工藝所得的水(shui)平。同(tong)時，由(you)于SiC涂層能(neng)夠(gou)有(you)效抑制Al?C?的生成，這類復(fu)(fu)合材料在(zai)濕熱(re)環境中也展現(xian)出更好的穩定性，避免(mian)了(le)因(yin)水(shui)解造(zao)成的性能(neng)衰(shuai)減。

       意義與展望

       總體而(er)言，該(gai)研(yan)究(jiu)提(ti)出的(de)“磁控濺射(she)+真空退火(huo)”工藝為金剛(gang)石(shi)/鋁復(fu)合材料界面(mian)的(de)設計提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)新思路(lu)。通過(guo)在金剛(gang)石(shi)表面(mian)構(gou)建均(jun)勻(yun)、穩(wen)定(ding)的(de)SiC化學鍵合層，研(yan)究(jiu)團隊有效解決了(le)界面(mian)反應和熱(re)穩(wen)定(ding)性問題，為下(xia)一(yi)代高功率電(dian)子器件的(de)散熱(re)封裝材料開發提(ti)供(gong)了(le)重要參考。