Cu(Cr)-金刚石复合材料热机械可靠性评估：面向GaN功率模块热管理

《Journal of Materials Research and Technology》：Thermo-mechanical reliability evaluation of Cu(Cr)-diamond composites for GaN power module thermal management

　　

Cu-金刚石复合材料因其高热导率（TC）和可调热膨胀系数（CTE）而成为电力电子器件热管理的有前景材料。然而，金刚石与Cu之间较大的CTE失配以及弱的界面结合限制了其长期可靠性。本研究采用气压浸渗法制备了不同金刚石粒径的Cu-金刚石复合材料，以阐明粒径、界面碳化物形成与热机械行为之间的耦合效应。力学与热学性能对粒径呈现非单调依赖关系。平均金刚石尺寸为231.68 μm的复合材料表现出最佳综合性能，其抗弯强度为410 MPa，TC为651.7 W·m^-1·K^-1，100 °C时CTE为9.21 ×10^-6 K^-1。经热冲击测试后，该复合材料仍保持393 MPa的抗弯强度和454.13 W·m^-1·K^-1的TC，表明其具有优异的热稳定性。微观结构表征与第一性原理计算揭示，Cr促进了原位Cr₃C₂的形成，强化了界面结合并改善了声子谱匹配。本研究通过关联粒径相关的界面演变与断裂行为、热传输、CTE兼容性及循环后稳定性，建立了面向可靠性的结构-界面-性能关系。研究结果为设计面向GaN-on-diamond功率封装的可靠Cu-金刚石复合材料提供了指导。

研究背景：第三代半导体氮化镓（GaN）凭借宽禁带、高击穿场强和高电子饱和速度，已成为下一代电力电子器件的核心材料。然而，随着功率密度和器件集成度不断提高，自热效应成为其长期服役可靠性的主要瓶颈，亟需在芯片表面附近发展高效散热路径和热应力缓解机制。金刚石因其自然界最高的热导率而备受关注，表面活化键合（SAB）技术已实现GaN与金刚石衬底的室温异质键合，GaN-on-diamond结构在器件级热管理中展现出显著潜力。但该技术的实际应用仍需与金属散热器和封装组件集成，热膨胀兼容性和机械可靠性成为关键考量。因此，开发兼具金刚石优异热传输能力和铜可加工性与结构兼容性的中间材料具有重要价值。Cu-金刚石复合材料因其能够桥接金刚石基散热器与传统Cu封装结构之间的热学和力学差异而成为有前景的中间热管理材料。然而，金刚石室温线CTE仅为1-1.5 ppm/K，而Cu约为17 ppm/K，循环热载荷下产生的巨大界面应力、翘曲甚至机械失效构成关键可靠性挑战。此外，金刚石与Cu之间互溶度有限、化学活性低，导致润湿性差和界面结合弱，这些不匹配共同造成界面强度不足和热稳定性差，成为其长期可靠性的主要挑战。已有研究主要通过Cu基体合金化和金刚石表面金属化两种策略引入界面碳化物过渡层来改善界面润湿性和化学粘附，但以往研究多聚焦于单一热学性能的提升，金刚石粒径、碳化物界面演变、热传输行为与热循环条件下热机械可靠性之间的耦合关系尚不充分，且在实际工况特别是热冲击环境下热学与力学稳定性的系统评估仍然有限。本研究制备了三种不同粒径分布的Cu-金刚石复合材料，系统评估热冲击前后的热学和力学性能，结合第一性原理计算与有限元模拟分析粒径与界面化学键合、声子谱匹配和界面应力之间的关联，建立多尺度结构-界面-性能关系，为先进GaN功率模块热管理应用中可靠Cu-金刚石复合材料的设计提供基础性见解。

研究人员开展的研究与结论：研究人员采用气压浸渗（GPI）法制备了金刚石体积分数约65%、含0.3 wt.% Cr的Cu-Cr合金基体的三种粒径Cu-金刚石复合材料，系统研究了热冲击前后的热学与力学性能。结果表明，力学与热学性能对粒径呈非单调依赖，231.68 μm粒径复合材料综合性能最佳，抗弯强度410 MPa、TC 651.7 W·m^-1·K^-1、100 °C时CTE为9.21 ×10^-6 K^-1，热冲击后保持393 MPa强度和454.13 W·m^-1·K^-1热导率。第一性原理计算和有限元模拟证实，Cr原位形成的Cr₃C₂界面层增强了界面粘附和声子谱匹配，促进了界面热传输。该研究通过关联粒径相关的界面演变与断裂行为、热传输、CTE兼容性和循环后稳定性，建立了面向可靠性的结构-界面-性能关系，为GaN-on-diamond功率封装用可靠Cu-金刚石复合材料的设计提供了指导。其重要意义在于揭示了粒径-界面-性能的协同调控机制，为近结热管理策略在高功率GaN器件中的实际应用提供了材料设计依据。

关键技术方法：研究人员采用气压浸渗（GPI）法在1100 °C、5 MPa高纯氩气条件下制备金刚石体积分数约65%的Cu-金刚石复合材料，基体为含0.3 wt.% Cr的Cu-Cr合金，金刚石粒径分别为35/40目（536.67 μm）、70/80目（231.68 μm）和120/140目（140.37 μm）。采用激光热导仪测量热扩散系数，阿基米德法测密度，差示扫描量热法测比热容，热膨胀仪测定CTE，依据JESD22-A106标准在-50 °C至150 °C间进行150次热冲击循环。采用三点弯曲试验评估力学性能。通过FIB-SEM、TEM、SEM结合EDS和XRD进行微观结构和界面表征。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算在CASTEP模块中采用OTFG超软赝势和GGA-PBE泛函进行界面结合能和声子态密度分析。有限元模拟基于SEM截面图像建立传热模型，对比有无碳化物层的界面热传输行为。

研究结果：

3.1 微观结构与相组成：通过SEM观察确认三种粒径金刚石颗粒形貌完整、呈立方-八面体几何，粒径分布符合高斯分布。GPI工艺制备的复合材料表面形貌均匀，金刚石颗粒良好嵌入Cu基体，无明显界面孔洞或分离。XRD图谱显示三种复合材料均存在Cu、金刚石和Cr₃C₂特征衍射峰，证实GPI过程中形成了Cr₃C₂；热冲击后Cr₃C₂衍射峰仍可检测到，表明碳化物相在热循环中保持稳定，峰位轻微偏移主要源于热循环中热膨胀失配引起的残余应力变化。

3.2 界面结构：通过TEM对231.68 μm复合材料进行截面分析，发现金刚石与Cu-Cr基体之间存在厚度约1.419 μm的连续界面反应层，EDS面扫显示该区域Cr显著富集。HRTEM观察到与Cr₃C₂晶面间距一致的清晰晶格条纹，SAED进一步确认了结晶Cr₃C₂相，表明GPI过程中Cr与金刚石表面碳反应形成Cr₃C₂界面层。Cr₃C₂与Cu-Cr基体之间呈现紧密接触，共同构成连续的diamond/Cr₃C₂/Cu-Cr界面过渡结构。

3.3 力学性能：通过三点弯曲试验发现，弯曲应力-位移曲线呈典型准脆性行为。抗弯强度对粒径呈非单调依赖，热冲击前231.68 μm复合材料抗弯强度最高（410 MPa），536.67 μm最低（196 MPa）；热冲击后231.68 μm仅降至393 MPa（强度保持率约95.9%），而140.37和536.67 μm分别降至134.0和131.5 MPa。231.68 μm复合材料热冲击后保留约89.9%的初始弯曲模量。比断裂功和终端断裂应力均随粒径增大先增后减，231.68 μm复合材料比断裂功最高（热冲击前116.54 J/m²，热冲击后104.15 J/m²），表明其具有更强的能量耗散能力和断裂末期持续承载能力。断口形貌揭示三种断裂模式：粗颗粒复合材料以界面脱粘为主，归因于大颗粒分散不均和浸润不足导致界面孔洞；中等颗粒复合材料以穿晶断裂为主，表明界面结合强度超过金刚石颗粒本征强度，归因于均匀分散和连续Cr₃C₂界面层的有效桥接作用；细颗粒复合材料呈混合断裂模式，因总界面面积增大导致Cr₃C₂覆盖不完整。热冲击后，粗颗粒复合材料界面孔洞进一步扩大，中等颗粒复合材料仍保持穿晶断裂特征，细颗粒复合材料断裂模式由混合型转向以界面脱粘为主。

3.4 热物理性能：通过激光热导仪和热膨胀仪测定，231.68 μm复合材料热导率最高（651.7 W·m^-1·K^-1，约为DEM模型理论值1008 W·m^-1·K^-1的65%），536.67和140.37 μm分别为627.66和643.13 W·m^-1·K^-1。粗颗粒复合材料因界面孔洞阻碍热流传导，细颗粒复合材料因界面密度高导致声子失配加剧。CTE测试（100-800 °C）显示，536.67 μm复合材料CTE为12.09×10^-6至15.88×10^-6 K^-1，231.68 μm为9.21×10^-6至12.43×10^-6 K^-1，140.37 μm为6.89×10^-6至9.78×10^-6 K^-1。140.37和231.68 μm复合材料的CTE与GaN和金刚石在工作温度下良好匹配，且随温度变化较小，表现出优异的热稳定性。

3.5 Cr₃C₂界面层增强热学与力学性能的机制：通过第一性原理计算，声子态密度分析表明Cu与金刚石体相声子频谱仅存在狭窄重叠区，界面声子失配严重；引入Cr₃C₂中间层后频谱重叠显著展宽，界面声子耦合增强。分离功计算显示diamond(100)-Cu(111)界面为3.18 J/m²，CuCr(111)-Cr₃C₂(001)(Ⅰ)和(Ⅱ)界面分别增至3.31和3.71 J/m²，diamond(100)-Cr₃C₂(001)界面达8.21 J/m²。PDOS分析揭示C-2p与Cr-3d轨道在界面区域强烈杂化，形成大量Cr-C键合态，金刚石侧碳原子积极参与共价Cr-C键合而非简单范德华接触。电荷密度差分证实Cr-C键合区域显著电荷积累，Cr原子向C发生电荷转移，形成跨界面化学键，增强界面刚度和声子耦合强度。有限元模拟基于231.68 μm复合材料截面建立传热模型，对比有无Cr₃C₂层的界面热传输，结果显示diamond-Cr₃C₂-Cu模型温度分布均匀、热流高效传递，而空气界面模型在金刚石-Cu界面处出现明显温度不连续，热流主要局限于Cu基体，表明无碳化物层时界面无法有效桥接热传输。

讨论部分总结：研究结果表明，Cu(Cr)-金刚石复合材料的热机械性能由金刚石粒径、界面碳化物形成和界面介导的热/载荷传递的耦合效应共同决定，而非单一因素。力学和热机械性能对粒径呈非单调依赖，231.68 μm复合材料在强度、热导率、CTE和循环后稳定性之间实现了最佳平衡。粒径主要通过调控界面状态（颗粒分散、浸润质量、界面缺陷形成和Cr₃C₂过渡层连续性）发挥作用。粗颗粒复合材料因分散均匀性差和浸润不完整导致界面孔洞和弱结合区域，降解载荷传递和热传输；细颗粒复合材料虽分布更均匀，但总界面面积大幅增加导致连续碳化物覆盖困难且热传输界面密度升高，声子散射加剧；中等粒径条件提供了最有利的平衡。热物理结果进一步证实有效热传输由界面热传输网络质量而非单纯金刚石掺入量控制。在微观和原子尺度上，Cr₃C₂中间层是实现热学和力学性能耦合增强的关键特征，TEM和XRD确认了碳化物层的形成和热稳定性，第一性原理计算表明含Cr₃C₂界面具有更高粘附功、更强轨道杂化和改善的振动兼容性，有限元模拟进一步支持了这一解释。在GaN基电力电子架构中，高通量热流、陡峭温度梯度和异质材料界面对散热和热机械可靠性提出严格要求，优化的Cu(Cr)-金刚石复合材料兼具高热导率和相对低CTE，有利于快速散热同时缓解异质材料界面应力积累，Cr₃C₂介导界面改善界面结合和热传输连续性，表明该复合材料有望作为散热器或过渡层材料提升GaN-on-diamond封装结构的热稳定性和界面可靠性。

研究结论翻译：本研究通过含0.3 wt.% Cr的Cu基体合金化制备了不同金刚石粒径的Cu-金刚石复合材料，系统研究了金刚石粒径对复合材料力学和热学性能的影响，并通过第一性原理分析和有限元模拟阐述了Cu-金刚石界面处Cr₃C₂的增强机制：（1）随着金刚石粒径从140.37 μm增至536.67 μm，Cu-金刚石复合材料的力学强度、热导率和热稳定性先升后降。含231.68 μm金刚石颗粒的复合材料综合性能最佳，抗弯强度410 MPa，热导率651.7 W·m^-1K^-1，100 °C时CTE为9.21 ×10^-6 K^-1。热冲击测试后，该复合材料保持高强度（393 MPa）和热导率（454.13 W·m^-1K^-1）。（2）金刚石粒径控制界面碳化物的形成以及金刚石颗粒在Cu基体中的分散，这些因素共同影响Cu-金刚石界面结合强度和基体金属强化效果，从而决定复合材料的力学、热学和稳定性特征。（3）含Cr的Cu基体合金化使Cu-金刚石界面原位形成Cr₃C₂界面层，第一性原理计算证实该碳化物层增强了界面粘附并改善了金刚石与Cu相之间的声子谱匹配。