答辩博士：李宏钊
指导教师：陈明和教授/博导
王长瑞副教授/硕导
论文题目：高导热金刚石/铜芯片热沉SPS制备及应用基础研究
答辩委员会：
主席：王经涛 教授/博导 南京理工大学
委员：陈 锋 教授/博导 东南大学
沈以赴 教授/博导 南京航空航天大学
左敦稳 教授/博导 南京航空航天大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
卢文壮 教授/博导 南京航空航天大学
陈明和 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：王长瑞 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022年6月19日14:00
地 点：A15-341
学位论文简介：
芯片级和模块级电子设备核心芯片的热流密度由传统的200-300 W/cm2向着1000 W/cm2发展，其使用寿命及可靠性呈指数型降低，高效散热成为核心芯片的“卡脖子”问题。金刚石-铜复合材料理论上具有良好的热导率、低的热膨胀系数及高强度等优点，与新一代芯片的热膨胀系数匹配极佳，是替代现有热沉的极佳选择。但金刚石与铜界面润湿性差，导致制备的复合材料出现致密度低、界面结合强度差及热导率低等难题，难以满足核心芯片的散热要求，因此，如何获得高致密度与高导热系数的金刚石-铜复合材料是其使用的关键。本文针对此问题，采用实验与理论分析相结合的方法对金刚石<100>面与<111>面的镀层形成机制、金刚石-铜复合材料放电等离子烧结致密化、界面结构及热导模型进行了深入研究。
论文的主要研究工作包括：
（1）金刚石不同晶面表面金属化形成机制及其工艺的实现
采用Mo和W元素作为镀覆对象，利用真空蒸发扩散法对金刚石表面进行金属化处理，并结合化学镀Ti金刚石，探讨金刚石<100>面与<111>面的镀层形成过程，揭示金刚石不同晶面表面金属化演变机制，确定最佳界面设计方案。结合放电等离子烧结工艺检验实验方案的有效性，实现金刚石和铜界面之间的最优润湿，以期通过界面梯度设计达到高强度、高导热的目的。
（2）脉冲电流作用下金刚石-铜复合材料快速烧结工艺及致密化
研究脉冲电流作用下升温速率、加热温度及保温时间等工艺参数对金刚石-铜复合材料微观组织影响。以镀Mo、W及Ti金刚石作为增强相制备了金刚石-铜复合材料，系统地研究了金刚石-铜复合材料放电烧结致密化。探索金刚石/铜快速烧结致密化作用机制，明确脉冲电流作用下热变形过程中材料致密化控制关键因素。
（3）一定配比与成形工艺下金刚石-铜复合材料力学、导热性能及微观组织演变规律
通过对不同镀层金刚石与铜粉末进行脉冲电流辅助烧结，分析脉冲放电烧结过程电压、电流、温度、压力及位移的变化特征对金刚石-铜复合材料的微观组织演变规律。探讨不同参数下复合材料的导热性能及力学性能，优化工艺参数，以获得组织均匀及性能好金刚石-铜复合材料。
（4）金刚石-铜复合材料不同晶面界面结构表征、理论模型修正与实验验证
通过三离子束切割和聚焦离子束加工技术制备镀钨金刚石<100>面与<111>面/铜复合材料的界面，利用STEM对不同界面进行了表征，基于DEM模型，考虑了孔隙、复合材料有效热导率及增强相对复合材料热导的影响，并修正了DEM热导预测模型。
主要创新点：
1. 通过真空蒸发扩散法对不同镀覆工艺参数下金刚石<100>面与<111>面镀层形成进行了研究，揭示了金刚石<100>面与<111>面镀层演化机制，得出了金刚石（100）面镀层形成比（111）面快，镀层均匀性、致密性及覆盖率均优于（111）面，这主要与不同晶面的表面能、面原子密度及排列方式有关。
2. 通过SPS制备金刚石-铜复合材料制备烧结过程中电参数与工艺曲线的变化及SPS原理分析，揭示了金刚石-铜复合材料致密化。快速致密化：电极压头位移快速增加，电流曲线波动明显，放电等离子体产生，粉末颗粒表面氧化膜与吸附气体汽化溢出及烧结颈的形成。缓慢致密化：电极压头位移增加缓慢，电流曲线基本无变化，主要以焦耳加热为主和电场加热为主，粉末颗粒之间的孔隙消除与热塑变形。最终致密化：电极压头先快速上移后逐渐下移，固相烧结成为主要烧结机制，最终使得复合材料达到致密。
3. 阐明了真空蒸发扩散法下金刚石<100>面与<111>面镀层的形态、厚度及结构对金刚石-铜复合材料<100>界面与<111>界面的形态、厚度及结合的关联性，揭示了金刚石<100>面/铜与金刚石<111>面/铜界面结构对金刚石-铜复合材料热导性能影响的关键。
4. 建立了DEM改进热导预测模型，基于镀钨金刚石<100>-铜界面与金刚石<111>-铜界面，验证了M-DEM导热预测模型。结合本文的研究结果，采用SPS技术制备了金刚石/铜芯片热沉，且热沉构件尺寸精度符合测试要求。
