本文作者包括Li, Y., Zhou, H., Wu, C., Yin, Z., Liu, C., Liu, J., Shi, Z.，他们隶属于北京科技大学先进材料技术研究所（Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing）、北京科技大学国家材料服役安全科学中心（National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing）、百色大学材料科学与工程学院（School of Materials Science and Engineering, Baise University）等科研机构。本研究发表于期刊《Nanomaterials》（volume 13, 2023, article 878），文章发布时间为2023年2月26日。
随着5G通信技术的飞速发展以及微电子产品不断向高集成、高性能、高速及小型化方向演进，系统散热性能的提升变得尤为重要，以避免因热应力引起的热疲劳失效问题。金刚石因其极高的导热性（最高可达2000 W·m−1·K−1），逐渐成为电子封装材料中关注的焦点。铜材料则因其优异的导热性、热物理性能和加工性能，成为理想的基质材料。由此衍生的金刚石/Cu（Diamond/Cu）复合材料，作为第四代电子封装材料，被广泛研究。尽管其在导热性和热膨胀系数上的可调性能表现出色，但需解决金刚石与铜之间界面结合性弱的问题。为此，研究人员提出采用钛（Ti）涂覆金刚石的表面修饰技术以改善界面结合性。本文基于液固分离技术（liquid-solid separation，LSS），首次尝试制备钛涂覆金刚石/Cu复合材料，并深入研究了其微观结构、界面特性及导热性能。
研究主要分为以下几个阶段：
研究采用的增强材料为直径约为102 μm的人工合成单晶金刚石颗粒，以及纯度为99.85%、平均粒径约为45 μm的球状铜粉作为金属基质。通过真空离子镀工艺在金刚石表面沉积了一层厚度约为100 nm的钛纳米层，并对其表面进行了原子力显微镜（AFM）和能量色散光谱（EDS）的表征，以验证涂层的完整性和分布情况。
复合材料制备流程基于LSS技术：首先按体积比为1:4将金刚石颗粒和铜粉混合，并通过球磨设备混合5小时；接着将混合后的粉末在300 MPa压力下冷压成坯；随后通过加热阶段将冷压坯料加热到1376 K并保温30分钟，使其达到液固混合状态；最后通过100 MPa的压力挤压液固混合坯料，将基体铜的液相部分挤出，并在水冷系统下分层固化形成复合材料。最终所得样品为50 mm × 40 mm × 3 mm的长方体。
对样品的界面微观结构和相组成进行了多种表征，包括： - 原子力显微镜（AFM）用于检测金刚石表面粗糙度及涂层形貌； - 扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）用于观察复合材料的界面形貌及元素分布； - X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）用于分析钛涂覆金刚石颗粒及复合材料的相组成； - 激光法导热仪（LFA）测量复合材料的导热性能，结合密度和比热计算其导热系数。
通过AFM和SEM分析表明，钛涂覆后的金刚石表面纳米颗粒呈现不同的取向形貌，其中{100}取向的颗粒较大，而{111}取向的颗粒较小。这种表面粗糙度的差异有助于增强金刚石颗粒与铜基质之间的界面结合。进一步通过XPS分析发现，金刚石表面钛涂层中的钛原子与金刚石中的碳原子发生反应，形成了钛碳化物（TiC）。
SEM图像显示，未涂覆金刚石的复合材料界面存在明显的裂纹和孔洞，而涂覆钛的金刚石则与铜基质结合紧密。通过EDS及XPS分析确认，在LSS过程中形成的TiC显著增强了金刚石颗粒与铜基质的界面结合性能。
导热性测试表明，采用LSS技术制备的40 vol.%未涂覆金刚石/Cu复合材料导热系数为315.19 W·m−1·K−1，而涂覆钛的金刚石/Cu复合材料导热系数提高至457.22 W·m−1·K−1，显著改善了界面导热性能。基于差分有效介质（DEM）模型进一步分析，结果显示TiC界面层的厚度对导热性能影响显著，最佳厚度约为100 nm，若超过临界值260 nm，导热性能将明显下降。
本研究实现了基于LSS技术制备钛涂覆金刚石/Cu复合材料，成功改善了界面结合性能并显著提高了导热性。TiC的形成不仅弥补了金刚石与铜基质间的物理不相容性，还优化了界面散热路径。研究表明，合理控制TiC界面层厚度对优化复合材料导热性能至关重要。该研究所开发的工艺流程简洁、成本低廉，适合大规模工业化生产，具有潜在的高温设备和电子封装领域的应用价值。