[發明專利]一種高導熱石墨晶須/銅復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210080907.4
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN102586704A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 何新波;劉騫;張昊明;任淑彬;吳茂;曲選輝
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C47/04
• 分類號: C22C47/04;C22C47/14;C22C49/00;C22C101/10;C22C121/02
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明屬于金屬基復合材料技術領域，涉及一種高導熱石墨晶須/銅復合材料的制備方法。?

背景技術

電子封裝材料的開發與設計一直以來是電子設備熱管理的重要一環，現代熱管理要求電子封裝材料具有高熱導率（TC），低膨脹系數（CTE），加工性能良好以及較低的價格。Cu/Mo、Cu/W、Al/SiC、AlN等傳統材料經常被用于電子封裝領域，這些材料各自有一定局限性，如Cu/Mo、Cu/W密度過高，Al/SiC、AlN的CTE較高，高熱導的金剛石復合材料則受限于價格和加工性能。

新一代石墨晶須具有低的熱膨脹系數、高的縱向熱導率，熱導率最高可達1100?W/(m·K)、低密度，其良好的物理性能適合用于金屬基電子封裝材料的增強相。采用粉末冶金工藝將石墨晶須與銅基復合所制得的各項同性高導熱的復合材料，其導熱性能優異、熱膨脹系數低、輕質且易加工、制備工藝簡單、成本較低，具有廣泛的應用前景。

在復合材料的制備過程中，增強相與基體之間的界面結合狀況對復合材料的性能有著很大的影響。研究表明，銅和碳進行復合時，由于界面潤濕性差，使得復合材料的導熱性能不佳。因此，如何加強界面結合是提高復合材料性能的關鍵。

發明內容

???????本發明的目的在于提供一種用高導熱、低膨脹石墨晶須作為增強相，制備熱膨脹系數可調、高導熱銅基電子封裝復合材料零件的方法。

???????本發明采用化學鍍或鹽浴鍍的方法對晶須進行表面金屬化，增加銅-碳之間的潤濕性，有效改善晶須與銅的界面結合，然后將處理后的晶須與銅粉均勻混合，最后采用等離子體放電燒結工藝制備高性能的石墨晶須/銅基復合材料。

一種高導熱石墨晶須/銅復合材料的制備方法，其特征是使用高導熱石墨晶須作增強相，先在石墨晶須表面用化學鍍或鹽浴鍍的方法鍍覆一層銅或鉬，然后通過SPS粉末冶金工藝與銅粉進行復合，制備出高性能石墨晶須增強銅基復合材料；

所用的增強相是高導熱，低膨脹的石墨晶須，長徑比在10-70之間，晶須表面鍍覆厚度0.1-2μm的銅或鉬；

所選的已鍍覆石墨晶須與銅粉的體積比為30-60:70-40，復合前要在球磨機上混合，球磨機轉速為110-150轉/分鐘，時間為1.5-3小時。

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首先在石墨晶須進行表面金屬鍍覆，鍍銅的主要工藝路線主要為：除油─粗化─敏化─活化─化學鍍，鍍液的組成：五水硫酸銅15g/L、甲醛5g/L、酒石酸鉀鈉14g/L、EDTA?19.5g/L?、氫氧化鈉14.5g/L?、二聯吡啶0.02g/L?、亞鐵氰化鉀0.01g/L。鍍銅工藝條件：鍍液pH為?12.0-12.5、?鍍覆溫度40-50℃、施鍍時間2-15分鐘。

鍍鉬的主要工藝路線為：除油─混粉─真空微蒸發鍍。將除油后的石墨晶須與加有一定量仲鉬酸銨的NaCl/KCl混合鹽放入球磨機中混合30分鐘，混合鹽中NaCl與KCl的摩爾比是1:1，混合鹽中仲鉬酸銨的質量分數為10%。混合均勻后，將混合物在保護氣氛下加熱至900℃-1100℃，在石墨晶須表面形成鉬層。

鍍覆后的石墨晶須與不同粒度的銅粉按照一定的比例在球磨機上混合1.5-3小時，球磨機轉速為110-150轉/分鐘，其中石墨晶須與銅粉的體積比為30-60:70-40，不同粒度銅粉可按質量比隨意搭配。

???????最后將混好的粉末放入石墨模具內，置于SPS燒結爐中，采用SPS粉末冶金工藝制備復合材料零件。燒結溫度為820-980℃，壓力為20-70MPa，保溫時間2-5分鐘。

本發明技術采用等離子體放電燒結法（SPS）制備石墨晶須增強銅基復合材料的制備方法。通過加入鉬或銅的中間層，增加了晶須與銅的潤濕性，改善了增強相與基體之間的界面狀態，大大降低了界面熱阻，特別是鉬層的加入，使原本增強相與基體之間弱的機械結合變成化學結合。采用此法制備的石墨晶須/復合材料性能優異，其優點包括：

1)????????具有良好的導熱率，能夠將半導體芯片在工作時所產生的熱量及時地散發出去；?

2)????????可調控的熱膨脹系數，與Si或GaAs等芯片材料相匹配，以避免芯片的熱應力損壞；

3)????????復合材料密度小，一定的強度和剛度；

4)????????產品性能各項同性，易于加工，生產成本較低；

5)????????對晶須表面進行金屬鍍覆處理，改善了增強相與基體之間的界面狀態，使復合材料綜合性能得到大大提高。

附圖說明

圖1為本工藝的流程圖。