[發(fā)明專(zhuān)利]高溫共混表面金屬化制備金剛石-銅復(fù)合材料的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110357373.0
• 申請(qǐng)日: 2011-11-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102383014A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬南鋼;白華;郎靜;馬一
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C22C26/00
• 分類(lèi)號(hào): C22C26/00;C22C9/00;C22C1/10
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于銅基復(fù)合材料的制備技術(shù)，具體涉及一種金剛石粉末表面金屬化與制備高導(dǎo)熱金剛石-銅復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)

隨著芯片集成度的不斷提高，電子封裝向小型化、輕量化和高性能的方向發(fā)展，使得電路的工作溫度不斷上升，系統(tǒng)單位體積發(fā)熱率不斷增大導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的性能，必須改善散熱條件，從而電子封裝在微電子領(lǐng)域的重要性不斷提升，伴隨著新型電子封裝材料的需求也在不斷增加。高品質(zhì)金剛石是世界上目前已知熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，可達(dá)到2000W/(m·K)，且室溫下金剛石是絕緣體，還具有介電常數(shù)低、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，但單一的金剛石不易制作成封裝材料，且成本很高，較理想的是用其做成金屬基復(fù)合材料。而金屬銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和高的導(dǎo)熱性能，它的熱膨脹系數(shù)(CTE)為17×10^-6K，熱導(dǎo)率(TC)為400W/(m·K)，因此，將金剛石與銅復(fù)合形成金剛石/銅復(fù)合材料，通過(guò)調(diào)節(jié)金剛石體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)和可調(diào)熱膨脹，完全滿足國(guó)內(nèi)外熱管理材料的要求。

金剛石/銅復(fù)合材料的制備難點(diǎn)在于：(1)金剛石與銅的潤(rùn)濕性極差的問(wèn)題。在1150℃下金剛石與銅的浸潤(rùn)角為145°，它們之間高溫沒(méi)有固相反應(yīng)發(fā)生，金剛石與銅難以燒結(jié)出致密的復(fù)合材料。通過(guò)金剛石表面改性，如加入強(qiáng)碳化合物元素(W、B、Ti)，從而改善金剛石與銅的潤(rùn)濕性。但改性的同時(shí)又帶來(lái)增加界面熱阻的新問(wèn)題，影響金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)；(2)金剛石石墨化問(wèn)題。在空氣中，金剛石極易石墨化，773K以下就可能完全石墨化。在真空條件下，970K～1670K，金剛石開(kāi)始發(fā)生部分石墨化現(xiàn)象，當(dāng)溫度高于2070K，則金剛石完全石墨化。因此在制備金剛石/銅復(fù)合材料的過(guò)程中，應(yīng)充分利用還原氣氛保護(hù)、加壓等工藝，防止金剛石發(fā)生石墨化。

近年來(lái)，主要采用高溫高壓法、熔滲法和預(yù)先真空鍍覆然后放電等離子體燒結(jié)的方法這三種方法制備金剛石-銅復(fù)合材料。但這三種方法制備金剛石/銅復(fù)合材料，由于制備設(shè)備過(guò)于昂貴，很大程度上增加了限制了金剛石/銅復(fù)合材料基板在電子工程中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高溫共混表面金屬化制備金剛石-銅復(fù)合材料的方法，該方法所制備的復(fù)合材料界面潤(rùn)濕性得到較大的改善，導(dǎo)熱性能顯著提高，且燒結(jié)設(shè)備簡(jiǎn)單便宜、制備工藝簡(jiǎn)單快速。

本發(fā)明提供的一種表面金屬化制備金剛石-銅復(fù)合材料的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟：

(1)將金剛石微粉與銅粉和強(qiáng)碳化物元素形成的粉末混合，金剛石微粉的粒徑為80～300μm，強(qiáng)碳化物元素形成的粉末在混合粉末中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～10％，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％～85％，混合粉末在1050～1150℃在真空或氫氣還原氣氛下共混10～90分鐘，然后隨爐冷卻；然后將經(jīng)冷卻后的混合粉末過(guò)篩，挑選出粒徑為80～300μm的粉末，去除里面混合的過(guò)剩的銅粉與碳化物形成元素粉末；

(2)將步驟(1)中所制得的混合粉末與銅粉混合，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％～95％，混合后的粉料在放電等離子體燒結(jié)爐模具中快速加熱至850～950℃進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為30～50MPa；然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復(fù)合材料。

本發(fā)明方法將金剛石表面改性與快速燒結(jié)結(jié)合起來(lái)，改變碳化物形成元素成分和高溫處理過(guò)程中溫度，通過(guò)碳化物形成元素與銅和金剛石之間的固溶性，在高溫條件下，在金剛石表面形成碳化物形成元素和銅的互溶體，使得金剛石與銅之間的潤(rùn)濕性得到改善進(jìn)而減小熱阻，提高熱導(dǎo)率且制得的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)可控。本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

(1)通過(guò)高溫共混處理，使得增強(qiáng)相金剛石在基體銅形成牢固可靠的界面層，且界面層厚度可以通過(guò)高溫共混預(yù)處理溫度和保溫時(shí)間調(diào)節(jié)。然后通過(guò)對(duì)粉末快速燒結(jié)致密化獲得具有高導(dǎo)熱性能，可控?zé)崤蛎浵禂?shù)的封裝電子基板材料。增強(qiáng)相在基體中均勻分布，界面連接強(qiáng)度高。

(2)合成溫度低、工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備便宜，綜合性能良好

該工藝中金剛石增強(qiáng)相處理的最高溫度在1150℃，且處理時(shí)間短，在真空或氫氣還原氣氛下，能極大地阻止金剛石石墨化，另外處理設(shè)備便宜，一般的設(shè)備即可完成。在致密化金剛石/銅復(fù)合材料的過(guò)程中，升溫速度可以很快，達(dá)到快速燒結(jié)的目的。總的合成過(guò)程具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、合成溫度低等優(yōu)點(diǎn)，并且所制得的復(fù)合材料熱導(dǎo)率高達(dá)672W/m·K，熱膨脹低于7.6μm/m·℃，致密度達(dá)96％以上。

本發(fā)明所使用的主要設(shè)備為：真空碳管爐和放電等離子體燒結(jié)爐。

(3)優(yōu)化產(chǎn)品性能