[發明專利]一種金屬基超硬復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201510984750.1
• 申請日: 2015-12-25
• 公開（公告）號: CN105624505B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 李丙文;馬寧;許立
• 申請（專利權）人: 富耐克超硬材料股份有限公司
• 主分類號: C22C26/00
• 分類號: C22C26/00;C22C29/16;C22C5/06;C22C9/00;C22C21/00;C22C30/00;C22C30/02;C22C32/00;C22C1/05
• 代理公司: 鄭州立格知識產權代理有限公司41126
• 代理人: 田小伍

技術領域

本發明屬于超硬復合材料領域，具體涉及一種金屬基超硬復合材料的制備方法。

背景技術

隨著我國電子技術的不斷發展，對于電子封裝材料的要求不斷提高，作為新一代電子封裝材料的超硬材料粉體增強金屬基復合材料由于具備優異的熱物理性能和良好的機械性能，受到了廣泛的關注。

電子封裝材料的應用需要考慮兩大基本性能要求，首先是高的熱導率，實現熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩定工作；同時，封裝材料需要具有可調控的熱膨脹系數，從而與芯片和各級封裝材料保持匹配，降低熱應力的不良影響。金屬類封裝材料因具有較高的熱導率、較低的熱膨脹系數以及機械加工性能良好，而被作為應用最廣泛的核心材料，在電子封裝材料發展的各個時期都具有重要的意義。但隨著微納米技術的發展以及金剛石等高熱導率材料在工業上的廣泛應用，而電子封裝材料的發展開始由金屬材料向金屬與金剛石等超硬材料復合的方向發展。

金剛石的熔點為3550℃，cBN的熔點為3300℃左右。在真空中金剛石的石墨化開始于1600℃-1700℃(失效溫度)，cBN的熱穩定性高達1550-1800℃(失效溫度)。現有的復合技術中通常采用熔滲法在金屬中復合金剛石制備金屬基復合材料，該方法存在以下缺點：首先金剛石與金屬潤濕性極差，難以直接制備出致密的復合材料，同時也帶來了金剛石的石墨化及人造金剛石中雜質在高溫下引起金剛石破裂等問題；其次，熔滲法受顆粒大小、滲透溫度和時間等因素影響，生產過程緩慢，設備復雜；此外，采用氣體壓力熔滲還存在施加的壓力較小、人造金剛石中雜質在高溫下引起金剛石破裂從而高熱熱導率下降等問題。

因此，研究出一種能夠制備出具有優越性能的金屬類封裝材料具有巨大的經濟意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種金屬基超硬復合材料，提供該金屬基超硬復合材料的制備方法則是本發明的另一個目的。

基于上述目的，本發明采用以下技術方案：一種金屬基超硬復合材料，由以下重量百分比的原料制備而成：納米金屬粉20%-68.8%、超硬材料粉體30%-75%和潤濕劑0.2%-5%。

優選地，所述納米金屬粉為Al、Cu或Ag納米粉體中的一種或兩種以上的混合物，粒度為50 nm -200nm。

優選地，所述鍍覆金剛石和鍍覆立方氮化硼的粒度均為50nm-300μm。

優選地，所述超硬材料粉體的鍍層為鎳、銅、鈦或鎢，鍍層厚度為50nm-2μm。

優選地，所述潤濕劑為Si、Ti、Mg、Fe、B、Cr、Mo或W的一種或兩種以上的混合物。

所述金屬基超硬復合材料的制備方法，包括如下步驟：將納米金屬粉、超硬材料粉體和潤濕劑球磨混合后冷壓成胚體；將胚體置于真空或還原氣氛中燒結，燒結溫度高于納米金屬粉的熔點、低于超硬材料粉體的失效溫度。

進一步地，所述納米金屬粉為Al粉，燒結溫度為680-950℃，燒結時間1-3h。

進一步地，所述納米金屬粉為Cu粉，燒結溫度為1100-1300℃，燒結時間1-3h。

進一步地，所述納米金屬粉為Ag粉，燒結溫度為980-1200℃，燒結時間1-3h。

進一步地，冷壓步驟采用雙向壓制，溫度為15-35℃，壓力為100-500MPa，保壓5-30s。

金剛石的的熱導率高達700-2000W/（m·K），而熱膨脹系數和密度僅有1.0×10^-6K^-1和3.52g/cm³；cBN（立方氮化硼）的熱導率僅次于金剛石，可達1300W/（m·K），是Cu和Ag的4-5倍，線膨脹系數約為4.7×10^-6K^-1。若將金剛石或cBN與金屬粉末復合完全能夠提高其熱導率、低膨脹的要求。

Al、Cu和Ag的熔點分別為660℃、1083℃、962℃，熱導率分別為238、109、429W/（m·K）。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

（1）本發明采用鍍覆的金剛石或cBN，在金剛石或cBN表面進行鍍覆后，可以通過該層金屬與基體金屬或潤濕劑形成穩定的化學冶金結合，改善金剛石或cBN與金屬的潤濕性，從而提高超硬材料與金屬之間的界面結合力，進而提高材料的熱導率。

（2）在金剛石表面進行鍍覆可以減少金剛石被氧化和石墨化的程度；在cBN表面進行鍍覆可以減少cBN高溫下的氧化和反轉化。