在电子封装及航空航天等关键领域，金属基散热器件已历经数十年发展与演变。随着器件功率密度的持续攀升，对电子封装材料的热导率提出了更为严苛的挑战。通过巧妙地将高热导率（高达200 W/(m·K)）与低热膨胀系数（(8.6±1)×10-7/K）的金刚石，与铜、铝等金属进行复合，可以制备出兼具高热导率、可调热膨胀系数，同时拥有出色力学性能和加工性能的“金属+金刚石”复合材料。这类材料不仅满足了不同电子封装应用的严苛需求，更被业界视为下一代电子封装材料的理想选择。
高导热铜/金刚石复合材料热沉、基板

1.金刚石/铜复合材料的独特优势

在众多金属材料中，铜以其卓越的热导率（385～400 W/(m·K)）和相对较低的热膨胀系数（17×10-6/K）脱颖而出。通过巧妙地加入少量金刚石增强体，这种复合材料的热膨胀系数得以与半导体相匹配，同时实现更高的热导率。此外，它还展现出出色的耐热、耐蚀及化学稳定性，能够适应高温、腐蚀等极端环境，如核电工程、酸碱环境以及干湿冷热交替的大气条件。

2.制备工艺的考量

尽管金刚石与铜的结合存在高界面能和润湿性差的问题，导致界面热阻增大，影响复合材料热导率的提升。但通过预先对金刚石表面进行金属化处理或合金化铜基体，可以有效地解决这些问题。在制备过程中，还需要综合考虑金刚石与铜基体的界面结合以及金刚石在铜基体中的均匀分散，从而获得最佳综合性能的复合材料。

3.金刚石/铜复合材料的界面热阻

在制备金刚石/铜复合材料的过程中，界面热阻是一个关键问题。为了解决这一问题，科研人员已经探索出多种制备方法，包括粉末冶金法、化学沉积法、机械合金化法、喷射沉积法以及铸造法等。其中，粉末冶金法因其简便的工艺和出色的材料性能而备受推崇。通过球磨等手段，Cu粉与金刚石颗粒能实现均匀混合，再经烧结成型，便可得到微观组织均匀的复合材料。而烧结成型作为粉末冶金法的核心步骤，其质量直接影响着最终产品的品质。目前，热压烧结、高温高压烧结以及放电等离子法烧结是Cu/金刚石复合材料制备中常用的烧结工艺。

4.粉末冶金法的制备流程

粉末冶金法作为一种常用的制备金刚石/铜复合材料的方法，其流程大致包括以下几个步骤：首先，通过球磨等手段将Cu粉与金刚石颗粒进行均匀混合；接着，将混合后的粉末进行烧结成型；最后，经过后续处理，得到微观组织均匀的复合材料。在烧结成型过程中，热压烧结、高温高压烧结以及放电等离子法烧结是常用的烧结工艺，它们对最终产品的品质有着至关重要的影响。
热压烧结法，作为传统的复合材料制备工艺，通过扩散焊合成形，实现材料的高致密度。具体而言，将增强体与铜粉充分混合后，装入特定形状的模具内，在加热的同时，施加单轴方向的压力，使成形与烧结同步进行。此过程中，粉体在压力作用下烧结，流动性增强，有效排出粉末中的残留气体，进而促进金刚石与铜之间形成稳定且牢固的界面，显著提升复合材料的粘结强度和热物理性能。

5.热压烧结原理及应用

Zhang等通过预先对金刚石进行金属化处理，然后采用热压烧结法，成功制备出了热导率高达721 W/(m·K)的铜/金刚石复合材料。这种方法具有显著的优势，包括金刚石与铜粉的比例可以根据实际需求灵活调整，同时，作为传统的复合材料制备工艺，其技术已经相当成熟，制备条件相对简单。然而，该方法也存在一定的局限性，它高度依赖于烧结参数的精准控制以及活性元素的添加来优化界面结合，此外，还受到设备和模具的限制。更重要的是，该方法采用的是轴向单向加压方式，因此，所制备出的材料尺寸相对较小，形状也较为单一。

6. 超高温高压烧结

超高温高压烧结法与热压烧结法在原理上有所相似，但其所施加的压力范围更大，通常达到1-10 GPa。借助高温与高压的协同作用，混合粉体能够在极短时间内实现快速烧结，从而形成致密的复合材料。为了达到这样的高压条件，通常需要使用六面顶超高压压机。在立方形状的高压腔内，粉体受到来自六个面的同时施加的压力，确保了所制备的复合材料具有高致密度。

六面顶超高压压机
Yoshida等在1150～1200℃、4.5 GPa的严苛条件下，成功制备出热导率高达742 W/(m·K)的金刚石/铜复合材料。该材料中，金刚石颗粒尺寸控制在90～110μm，体积占比达到70%。其显著优点包括高致密度、短制备周期以及高效率。特别值得一提的是，在金刚石高体积分数的情况下，高温高压环境下金刚石间的直接连接成键，赋予了材料卓越的热导性能。然而，该方法也存在不足，如需要专用的高端设备和严苛的操作条件，导致成本显著增加，同时仍未完全解决金刚石与铜的结合难题。

7. 放电等离子烧结

放电等离子烧结（SPS）技术涉及向粉末材料施加高能脉冲电流，并辅以一定的压力，从而引发颗粒间的放电和等离子体激发。这种高能粒子的碰撞能够活化颗粒表面，实现超高速的致密化烧结。淦作腾等人采用这一技术，在经过金刚石镀铬预处理后，通过设定烧结温度为800～1000℃、烧结压力为30 MPa、升温速率为100℃/min以及保温时间为5 min的工艺条件，成功制备出了热导率为503.9 W/(m·K)的金刚石/铜复合材料。

镀铬金刚石与铜粉经放电等离子烧结后的结合情况

优点：SPS烧结过程中，粉体颗粒间产生主动作用力，使得烧结所需温度较低（通常在800～950℃范围内）、压力小（50～80 MPa），且烧结时间极短，从而节约了大量能源。

缺点：尽管SPS烧结具有诸多优点，但其烧结过程控制较为困难，难以精确把控界面成分和厚度。此外，制备出的复合材料致密度略低，且难以制作形状复杂的工件。

小结：金刚石/铜复合材料因其高导热系数（可达600 W/(m·K)以上）和与电子半导体封装材料相匹配的膨胀系数而备受瞩目。粉末冶金法因其工艺简单和性能优异而成为其常用制备方法。然而，目前仍面临金刚石与铜之间界面热阻的问题，且制备复杂工件具有挑战性，这在一定程度上限制了其应用范围。未来研究应聚焦于改善导热增强体与基体间的界面结合和提升导热性能，如通过金刚石预金属化和铜基合金化等手段，以优化复合材料的综合性能，实现其经济高效的应用。