铜基双面对称金刚石沉积技术：实现低翘曲无裂纹的高效热管理材料

近日，深圳技术大学韩培刚团队，黄江涛团队与何斌团队合作，通过在铜基板双面对称沉积纳米金刚石（NCD）和微晶硅金刚石（MCD）的异质沉积策略，解决了铜基金刚石薄膜因热膨胀系数差异导致的翘曲和开裂问题。相关成果以“Dual-side heterogeneous diamond deposition on copper enables crack-free  films with minimal warpage for thermal management”为题发表于《Diamond & Related Materials》期刊。

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背景介绍

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高功率电子设备的发展，使得兼具超高导热性和电绝缘性的热管理材料需求日益迫切。铜与金刚石结合具有巨大潜力 —— 金刚石导热性优异，铜是常见散热材料，但现有研究多聚焦于金刚石颗粒增强铜基复合材料，这类材料虽导热性可达 500-800 W/(m・K)，却因导电无法满足绝缘需求；而氮化铝（AlN，约 180 W/(m・K)）、氧化铝（Al₂O₃，约 30 W/(m・K)）等绝缘材料，导热性又难以应对高功率设备的散热需求。

此外，铜与金刚石的晶格失配（>50%）和热膨胀系数差异（铜 16.5×10⁻⁶/K，金刚石 2×10⁻⁶/K），导致铜基金刚石薄膜易出现翘曲、开裂甚至分层，成为技术瓶颈。

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文章亮点

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本研究的核心亮点在于突破了上述瓶颈。

研究首先揭示了基板厚度的关键影响：0.5mm 薄铜基板单面沉积纳米金刚石（NCD）时，翘曲严重（曲率半径 55.53mm）但薄膜完整；1.5mm 厚铜基板单面沉积 NCD 时，翘曲减轻（曲率半径 219.4mm），却因压应力累积导致薄膜大量开裂。

为平衡这一矛盾，研究团队开发了双面对称异质沉积策略：先在一面低温（700℃）沉积 NCD 以缓解应变，再在另一面沉积微晶硅金刚石（MCD）实现应力抵消。

结果显示，该策略使翘曲半径提升至 395.03mm（较单面沉积增加 711%），且两侧 5μm 厚的薄膜均无裂纹。热性能测试中，6W 功率下，该复合材料热端温度比 AlN 低 7.7℃，比 Al₂O₃低 42.2℃，散热优势显著。

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图文解析

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图1. 基于铜片双面沉积化学气相沉积（CVD）金刚石的低弯曲工艺示意图。

图2. (a) 金刚石涂层铜基底的照片  样品1：仅单面沉积纳米金刚石（NCD）5小时。样品2：仅单面沉积微米金刚石（MCD）8小时。样品3：铜基底先单面沉积NCD 5小时，随后在另一面沉积MCD 8小时。样品4：仅单面沉积NCD 5小时（铜片厚度1.5 mm）(b) 通过基恩士VL-800高精度3D扫描仪测量得到的弯曲金刚石样品的3D模型。下方的线直观显示其曲率。(c) 样品1上金刚石膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。(d) 样品2的金刚石膜的SEM图像及其放大图。(e) 样品3的NCD层的SEM图像。(f) 样品3的MCD层的SEM图像。(g) 样品4上金刚石膜的SEM图像。(h-l) 样品1-4的截面SEM图像，显示金刚石膜的厚度。

图3. (a) 样品1至4的金刚石膜的拉曼光谱。(b) 样品1至4的金刚石涂层的X射线衍射图。(c) 用触针式轮廓仪测量的样品1的曲率。红色：沉积前，绿色：沉积后，蓝色：差分曲线。

图4. (a) COMSOL模拟的样品1-3的残余应力与变形。(b) 单面或双面沉积金刚石的铜基底的变形对比。(c) 取决于铜基底厚度的计算应力与位移。(d) 取决于基底厚度的金刚石膜内应力与样品位移。(e) 取决于金刚石膜厚度的金刚石膜内应力与样品位移。

图5. (a) 样品3的MCD层的透射电子显微镜（TEM）界面形貌；(b) 图a中白色框区域的放大图；(c–d) 图b中各区域的高分辨率图像。(e) 图a中黑色框区域的放大图；(f) 界面附近铜层的高分辨率TEM图像。(g) 图a所示界面的能量色散谱（EDS）分布图。

图6. a. 氮化铝、氧化铝及样品3（铜基金刚石涂层）的散热照片。b. 三种材料在不同功率下工作3分钟的热成像图。c. 三种材料的结温对比。

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总结展望

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这项研究通过梯度界面结构（非晶碳层 - 纳米晶缓冲层 - 微晶主层）实现应力逐步衰减，结合机械互锁和塑性变形增强界面结合，成功解决了铜基金刚石薄膜的翘曲与开裂问题，提供了兼具高导热性和电绝缘性的复合材料，为高功率电子设备的热管理提供了新方案。

文献信息

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Haojie Xing, Bin He, Stephan Handschuh-Wang, Xinqing Gao, Junrong Zeng, Zongyan Zhang, Qiyuan Chen, Jiangtao Huang, Peigang Han, Dual-side heterogeneous diamond deposition on copper enables crack-free films with minimal warpage for thermal management, Diamond and Related Materials, Volume 159, Part A, 2025, 112730, ISSN 0925-9635,

https://doi.org/10.1016/j.diamond.2025.112730