[發明專利]一種金剛石/銅高導熱復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201010584476.6
• 申請日: 2010-12-13
• 公開（公告）號: CN102108458A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發明（設計）人: 劉永正;崔巖
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: C22C9/00
• 分類號: C22C9/00;C22C26/00;C22C1/10;C25C1/12
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 陳宏林

技術領域

本發明是一種金剛石/銅高導熱復合材料及其制備方法，屬于金屬基復合材料技術領域。

背景技術

隨著電子技術的不斷發展，電子元器件集成化程度越來越高，芯片的運算速度越來越快，發熱量也越來越大，微處理器及功率半導體器件在應用過程中常常因為溫度過高而無法正常工作。金屬材料中銅、鋁的熱導率較高，但熱膨脹系數與Si和GaAs等相差較大，器件工作時會產生較大的應力；Invar和Kovar合金具有非常低的熱膨脹系數和良好的焊接性，但熱導率還不到20W/(m·K)，根本無法滿足大功率器件上的應用；目前應用廣泛的W/Cu、Mo/Cu以及Si/Al、SiC/Al等材料的熱導率也僅在120-210W/(m·K)的范圍內，還是無法滿足高功率集成電路的要求。

金剛石具有著良好的物理性能，其室溫熱導率為600～2200W/(m·K)，熱膨脹系數0.8×10^-6/K，且不存在各相異性，并且隨著人工合成金剛石技術的不斷成熟，生產成本大幅下降，使得人造金剛石在復合材料中的大規模應用成為可能。1995年美國采用真空浸滲法制備出可作為多芯片模板的基板使用的金剛石/銅復合材料，熱導率420W/(m·K)，CET為5.48～6.5×10^-6K，制備過程需要真空設備成本較高。2003年日本科學家通過高溫高壓的方法制備出金剛石/銅復合材料，熱導率可達742W/(m·K)，俄羅斯科學家也采用高溫高壓的制備工藝獲得了導熱達900W/(m·K)的金剛石/銅復合材料，高溫高壓的工藝條件極其苛刻，所獲得的復合材料體積很小，應用意義不大。

發明內容

本發明正是針對上述現有技術中存在的缺點而設計提供了一種金剛石/銅高導熱復合材料及其制備方法，其目的是制備的金剛石/銅高導熱復合材料熱導率能達到380～750W/(m·K)，線膨脹系數5.0～11.6×10^-6K，可滿足大功率集成電路的需求。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發明技術方案提出了一種金剛石/銅高導熱復合材料，其特征在于：該復合材料是由包覆鉻、鉬、鎢或鈦的金剛石顆粒增強體和基體銅混合而成，其中金剛石顆粒增強體在材料中所占的體積份數為15％～65％。

所述的金剛石顆粒尺寸優選為0.5～125μm。包覆金剛石顆粒的鉻、鉬、鎢或鈦層的厚度為0.05～3μm。

本發明技術方案還提出了用于制備上述金剛石/銅高導熱復合材料的方法，其特征在于：該方法的步驟是：

(1)將金剛石顆粒與純鉻、鉬、鎢或鈦粉在混料機中充分混合后取出，在氬氣保護氣氛中加熱到300～600℃，保溫0.5～2小時，隨爐冷卻，所得的金剛石表面包覆有鉻、鉬、鎢或鈦層；

(2)將包覆著鉻、鉬、鎢或鈦的金剛石顆粒置于電解液中，進行電沉積銅的制備工藝，該工藝參數為：

電沉積溶液組成：焦磷酸銅10-80g/L、焦磷酸鉀200-400g/L、檸檬酸銨60g/L；

電沉積工藝條件：電流密度0.5-4.0A/dm²，攪拌速度200-600r/min，溫度50℃。

本發明技術方案的優點：

1.本發明制備的金剛石/銅高導熱復合材料熱導率380～750W/(m·K)，線膨脹系數5.0～11.6×10^-6K，可滿足大功率集成電路的需求。

2.本發明通過鉻或鉬或鎢或鈦層的加入，改善了金剛石與銅的界面結合狀態，使復合材料的界面熱阻大大降低，從而獲得了導熱性能良好的復合材料。

3.本發明省去了通過的高溫高壓復雜工藝過程，防止了金剛石在高溫下的石墨化等不利反應，且制備的復合材料近凈型程度化高。

具體實施方式

以下將結合實施例對本發明技術方案作進一步地詳述：

實施例1：

將純鉻粉與8μm金剛石顆粒共同放入混料罐中，混料48小時取出，在氬氣保護氣氛中400℃處理0.5小時，隨爐冷卻后放入焦磷酸銅80g/L、焦磷酸鉀200g/L、檸檬酸銨60g/L的電沉積溶液中，采用電流密度2.0A/dm²，攪拌速度600r/min，溫度50℃的電沉積制備工藝15小時。所得的復合材料熱導率680W/(m·K)，線膨脹系數7.2×10^-6K，增強體所占的體積份數為45％。

實施例2