22高熱電導率的材料221金屬鑽石和陶瓷

表2.1提供了各種金屬的熱導率。當需要高溫電導率的材料時，最常用的銅是最常用的。但是，銅的熱膨脹係數（CTE）遭受高值。當相鄰的組件具有低CTE時，需要低CTE。當兩種相鄰材料的CTE足夠不同並且溫度變化時，熱應力會發生，甚至可能導致經常。當銅被用作印刷布線板的散熱器時，這就是這種情況，這是一種連續的纖維多晶質複合材料，其CTE低於銅。鉬和鎢的CTE較低，但與銅相比，它們的熱導率很差。

金屬中CTE的AlloyInvar®（64FE-36NI）的CTE低低，但導熱率非常差。鑽石是最吸引人的，因為它具有很高的導熱率和低CTE，但價格昂貴。鋁不像銅的那樣導電，但其密度低，這對於需要低重量的飛機電子和應用（例如，筆記本電腦）具有吸引力。23氮化鋁不像銅的那樣具有吸引力，但它在其上有吸引力，但它在其上很有吸引力低CTE。鑽石和大多數陶瓷材料與其電絕緣能力中的金屬大不相同。相比之下，金屬在熱和電導中都進行。

對於需要熱導率和電氣絕緣的應用，可以使用鑽石和適當的陶瓷材料，但金屬不能使用。

2.2.2金屬矩陣複合材料

降低金屬CTE的一種方法是使用低CTE填充劑形成金屬墊圈複合1。由於高導熱率和低CTE的結合，將陶瓷顆粒（如ALN和SIC）用於此目的。由於填料通常比金屬基質的CTE較低，導熱率較低，因此複合材料中的填充體積越高，CTE越低，並且導熱率越低。

帶有不連續填充劑的金屬矩陣複合材料對於各種形狀的利潤性具有吸引力。但是，基質填充墊圈三明治形式的分層複合材料對平麵成分有用。不連續的填充劑最常見的是陶瓷顆粒。填充板通常是低CTE金屬合金板（例如Invar®或64fe-36ni和Kovar®或54fe-29ni-17co）。鋁和銅是普通的金屬矩陣，因為它們的電導率很高。

2.2.2.1鋁 - 矩陣複合材料

鋁是用於結構和電子應用的金屬矩陣複合材料的最主要基質。這是因為其低成本和低熔點（660°C），通過涉及熔化的方法促進複合製造。

用於製造金屬矩陣複合材料的液相方法包括液態金屬浸潤，通常涉及使用活塞或壓縮氣體的壓力將熔融金屬推入包含填充劑的多孔預形式的孔中（顆粒未燒結）4-6無壓力浸潤較不常見，但可能是可能的。78粘合劑防止填充顆粒在浸潤過程中移動，並且還為預成型提供了足夠的兼容強度在浸潤過程中變形。因此，該方法提供了近網形製造，即複合產物的形狀和大小與預成型的形狀和大小相同。由於複合材料的加工遠比預成型的要困難得多，因此需要近網狀製造。

除了近網形製造能力外，液態金屬製造具有優勢，因為它提供了具有較高填充體積分數（最高70％）的複合材料。即使填充物是低CTE陶瓷（例如SIC），因此需要高填充體積分數才能在複合材料中獲得足夠低的CTE（<10 x 10-6/°C），因為鋁基質具有一個但是，相對較高的CTE.910然而，要使用液體金屬浸潤達到大容量分數，所使用的粘合劑必須少量（以免堵塞預成型的孔），並且仍然有效。因此，粘合劑技術11-13至關重要。

隨著填充體積分數的增加，複合材料的延展性會減小，因此具有足夠低CTE的複合材料非常脆。盡管對於結構應用不可接受，但對於電子應用來說是可以接受的。

另一種液相技術是攪拌鑄造，1涉及將填充物攪拌在熔融金屬中，然後鑄造。由於填充物和熔融金屬之間的密度差異，該方法遭受了填充物在複合材料中的不均勻分布，因此在凝固之前，填充物在熔融金屬中漂浮或下沉的趨勢。攪拌鑄件還遭受產生具有高填充體積分數的複合材料的能力。

另一種液相技術是血漿噴塗，14涉及將熔融金屬和填充劑的混合物噴到基材上。該方法遭受了所得複合材料的相對較高的孔隙率，因此通過熱等靜力按壓或其他昂貴的方法對致密化的需求。

一種固相技術是粉末冶金，它涉及將基質金屬粉末和填充劑以及隨後在熱量和壓力下進行燒結。14對於鋁基質而言，這種方法相對困難，因為鋁具有保護性的氧化物，並且氧化物層上的氧化物層是每個鋁顆粒的表麵阻礙燒結。此外，此方法通常僅限於填充物的小體積分數。

最常見的填充物是碳化矽（SIC）顆粒，因為SIC的成本較低和低CTE。15然而，SIC與鋁的反應性遭受了反應性。反應是

隨著複合材料的加熱，它變得更加嚴重。碳化鋁是一種脆弱的反應產物，該反應產物將複合材料的填充墊子界麵排成，從而削弱了界麵。矽是另一種反應產物，溶解在鋁基質中，降低基質的熔化溫度並在相分布和機械性能分布中引起不均勻性。16此外，反應消耗了SIC填充劑的一部分。17

減少這種反應的一種方法是使用Al-Si合金基質，因為合金基質中的矽促進了相反的反應。但是，與相應的Al-Matrix複合材料相比，Al-SI基質的延展性較低，從而導致Al-Si基質複合材料的機械性能非常差。因此，使用Al-Si合金矩陣不是解決問題的方法。

一種有效的解決方案是用氮化鋁（ALN）顆粒替換Si-C，該顆粒與鋁不反應，從而在複合材料中產生了優質的機械性能。18ALN比SIC更高的導熱率有助於SIC有助於SIC的熱導率。複合材料。由於複合製造過程的成本主導了生產複合材料的成本，因此與SIC相比，ALN的材料成本較高並不重要，尤其是對於電子包裝而言。氧化鋁（AL2O3）也不與鋁反應，但導熱性低，並且受顆粒聚集的苦難。18

除了諸如SIC和ALN之類的陶瓷外，鋁 - 矩陣複合材料中使用的填充物是直徑纖維纖維的形式，含量約為10 ^m19-23，而較不常見的直徑小於1 ^m.24碳也遭受了苦難。從與鋁的反應性到形成碳化鋁。但是，纖維比顆粒更有效地減少了複合材料的CTE。碳纖維甚至可以連續。此外，碳，尤其是在石墨化時，碳比陶瓷更熱電學。實際上，足夠石墨的碳纖維比金屬基質更受熱電導，因此複合材料的熱導率隨著纖維體積分數的增加而增加。但是，這些纖維很昂貴。來自BP Amoco化學物質的基於中間的碳纖維K-1100表現出1000 W/M.K.25 26的縱向熱導率

碳和SIC都形成了一對鋁，這是陽極。它是複合材料中的成分。在存在熱量和/或水分的情況下，腐蝕變得更加嚴重。

鋁 - 矩陣複合材料的導熱率取決於填充物及其體積分數，合金基質熱處理條件和填充物 - 矩陣接口。18，18，

為了增加SIC鋁 - 馬trix複合材料的導熱率，可以將鑽石膜沉積在複合材料上。單晶鑽石的導熱率為2000-2500 W/M.K，盡管鑽石膜不是單晶膜。

2.2.2.2銅矩陣複合材料

因為銅很重，所以填充劑不必輕量級。因此，使用低CTE（例如鎢，2930鉬，3132和Invar®33-35）的重金屬。這些金屬（除infar除外）的優勢是它們具有很大的導電性，並且具有顆粒和薄板形式。它們適用於顆粒和分層3637複合材料。金屬填充劑的另一個優點是，與陶瓷填充劑相比，熔融基質金屬具有更好的潤濕性，如果複合材料是通過液相方法製造的，這一點很重要。

銅的優點比鋁的優勢在於其對碳的反應性，因此碳是非常適合銅的填充物。其他優點是碳是輕巧的，其纖維以連續形式提供。此外，銅是一種相當高尚的金屬，如其在電動係列中的位置所示，因此它不會遭受困擾鋁的腐蝕。用作銅中填充物的碳的直徑纖維的形式約為10 ^m.2238-45，作為足夠石墨的碳纖維比銅的熱傳導更高，銅墊圈複合材料的熱導率可以超過該電導率銅。銅的填充劑較少的是陶瓷，例如碳化矽，二吡啶鈦（TIB2）和氧化鋁。46-48

這銅的熔點遠比鋁的高得多，因此銅矩陣複合材料的製造通常是通過粉末冶金來完成的，盡管也使用了液態金屬浸潤。2249 50在液態金屬浸潤的情況下，金屬基質通常是銅合金（例如，Cu-ag）選擇用於降低的熔化溫度和良好的鑄造性。50

粉末冶金通常涉及混合金屬基質粉末和填充劑，然後在熱量或熱量和壓力下按下然後燒結。這種方法的問題在於它僅限於填充物的小體積分數。為了達到大量分數，建議采用較不傳統的粉末冶金方法。該方法涉及將填充單元上的基質金屬塗覆，然後按下和燒結。3246 51 52，不需要做基質金屬粉與塗層填充劑的混合，盡管可以做到以減少複合材料中的填充體積分數。填充物上的金屬塗層會迫使基質金屬的分布是均勻的，即使金屬體積分數很低（即，當填充體積分數高時）。使用常規方法，當填充體積分數很高時，基質金屬分布並不均勻，導致孔隙率和填充物團聚物的存在，在每個填充物中，填充單元在每個填充物中均直接互相接觸；這種微觀結構會導致低導熱率和機械性能較差。

連續的碳纖維銅矩陣複合材料可以通過用銅塗層然後塗抹纖維，然後擴散鍵（即燒結）。38404453“ 55此方法類似於上述較不傳統的粉末粉狀粉的粉狀含量。

銅中使用的較不常見的填充劑包括鑽石粉，5056氧化鋁纖維，57和Ni-Ti合金杆。58Ni-Ti合金以-21 x 10-6/°C的負CTE具有吸引力。已經進行了用鑽石膜的碳纖維銅矩陣複合材料的塗層，以提高導熱率。43

2.2.2.3鈹矩陣複合材料

氧化鈹（BEO）具有較高的導熱率（表2.1）。20-60 vol。％BeO的鈹矩陣Beo-Platelet複合材料表現出低密度（40 vol。％Beo時2.30 g/cm3，而Al/cm3為2.9 g/cm3，在40 vol。％SIC），高熱熱量電導率（40卷為232 w/m.k，BEO，而Al/sic為130 W/m.k，在40 vol。％SIC），低CTE（7.5 x 10-6/°C時40 vol。beo），比較到40vol。SiC時至12.1 x 10-6/°C）和高模量（40 vol。％BEO的317 GPA，而Al/sic為134 GPA，在40 vol。％SIC中）.5960

2.2.3碳質子複合材料

碳是用於熱傳導的複合材料的有吸引力的基質，由於其熱導率和低CTE。此外，它是耐腐蝕和輕巧的。碳基質的另一個優點是它與碳纖維的兼容性，與金屬基質及其填充劑之間的共同反應性相反。因此，碳纖維是主要的填充物碳 - 馬trix複合材料。具有碳纖維填充物和基質的複合材料稱為碳碳複合材料。61他們的主要應用是散熱器，62個熱平麵，63個和底物。64在同一應用中，碳碳複合材料和金屬 - 矩陣複合材料之間存在相當大的競爭。。

碳質子複合材料的主要缺點是它們的高成本製造成本，其中涉及在惰性氣氛中在1000-1500°C的1000-1500°C加熱，使螺距 - 馬trix或樹脂 - 馬trix複合材料以及隨後的碳化碳化或樹脂的碳化。碳化後，碳基質中的孔隙率很大，因此瀝青或樹脂被浸入複合材料中，並再次進行碳化。需要相當多的浸漬碳化循環以將孔隙率降低到可接受的水平，從而導致高成本。在2000-3000°C下在惰性氣氛中加熱的石墨化可能會遵循碳化以增加導熱率，​​這隨著石墨化程度的增加。但是，石墨化是一個昂貴的步驟。某些或全部浸漬碳化周期可能被取代化學蒸氣浸潤（CVI），其中碳氣體會滲入複合材料並分解形成碳。

碳碳複合材料是通過使用直徑左右的常規碳纖維製成的，並通過使用碳質氣體和小於1 ^m.24的直徑催化生長的碳絲，使用石墨化的碳纖維，超出的熱電導率超出了超出的熱電導率可以達到銅的。

為了提高導熱率，碳碳複合材料已被銅浸漬，並已塗有鑽石膜。68

2.2.4碳和石墨

一種全碳材料（稱為Thermalgraph®，BP Amoco化學品的商業名稱），它是通過無粘合劑和隨後的碳化和可選石墨化製造的，具有390至750 W/M.K的熱電導率，在光纖方向上顯示出熱電導率材料。

另一種材料是在結構殼中包裹的熱解石墨（稱為TPG）。69石墨，高度紋理，用垂直於石墨平麵的晶粒的C軸質感，其平麵導熱率為1700 W/m.k（這是銅的四倍），但由於在石墨平麵上剪切的趨勢在機械上很弱。結構外殼可以通過阻礙剪切力來增強。

螺距衍生的碳泡沫，石墨化後的熱導率最高150 W/m.k，對於它們的高比電導率（熱導率除以密度）很有吸引力。70

2.2.5陶瓷 - 矩陣複合材料

與碳基質相比，SIC矩陣具有很高的CTE，盡管它的導熱性不如碳。碳 - 碳複合材料的CTE太低（0.25 x 10-6/°C），導致芯片芯片芯片（COB）應用的疲勞壽命降低（CTE = 2.6 x 10-6/°C）。SIC-MATRIX碳纖維複合材料是由碳碳複合材料從碳從碳轉換為SIC.65來改善SIC-MATRIX複合材料的熱導率的，以化學蒸氣含量的Aln或Si的形式進行塗層，以提高SIC.65。被使用。由液體交換過程製成的SIC-Matrix金屬（Al或Al-Si）複合材料也表現出相對較高的導熱率。71

硼矽酸鹽玻璃基質由於其低介電常數（B2O3-SIO2-AL2O3-NA2O玻璃為1 MHz的低介電常數（4.1時為4.1），而ALN為8.9，鋁（90％）（90％），SIC為42，Beo為6.8，為7.1，為7.1，為7.1，為7.1立方硼硼，鑽石為5.6，玻璃陶瓷5.0。對於電子包裝應用，介電常數的低值是理想的。另一方麵，玻璃的導熱率較低，因此玻璃基質使用具有相對較高的熱導率的填充劑。一個例子是連續的SIC纖維，其玻璃 - 矩陣複合材料是由膠帶鑄造製成的，然後是燒結。72另一個例子是帶有互連孔的氮化鋁（約28卷％），其複合材料的複合材料是通過玻璃浸潤到玻璃浸潤到的ob体育赛事大約100 ^m.72ob体育赛事-74的深度

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