[發明專利]一種定向高導熱金剛石/金屬基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010312084.8
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111421141B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 姚建華;王健君;李波
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;B22F1/12;C23C4/12;C23C4/06;C22C26/00;B22F9/22
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;朱思蘭

本發明提供了一種基于超音速激光沉積制備定向高導熱金剛石/金屬基復合材料的方法，本發明方法中，金屬基粉末在全固態下進行沉積，無需經歷傳統制備工藝中熔化再凝固的過程，并且以一種低熱輸入方式對金剛石進行沉積，完全避免了高溫環境下金剛石的熱損傷以及石墨化的傾向，極大程度上保留原始粉末顆粒的物理化學性質，金剛石通過加速至超音速的金屬基顆粒的劇烈塑性形變而沉積，結合界面為機械結合及其他結合方式，所以無需對金剛石顆粒進行表面金屬化處理，也無需高壓加壓設備，復合材料中最大導熱軌跡即是富含金剛石的沉積軌跡，在制備過程中，金剛石沉積區域可實現實時的控制，從而實現對高導熱方向的控制。

技術領域

本發明涉及一種基于超音速激光沉積制備定向高導熱金剛石/金屬基復合材料的方法。

背景技術

隨著微電子技術的高速發展，半導體集成電路封裝密度越來越大，運行速度越來越快。然而，高集成度和高運行速度，使得器件發出的熱量迅速增加，導致電路板的工作環境溫度升高，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。另一方面，器件工作時的熱循環常會產生較大的應力，若材料之間熱膨脹系數不匹配會引起微電子電路和器件的熱疲勞失效?，F有的電子封裝材料，如W/Cu、Mo/Cu、SiC_p/Al、SiC_p/Cu、BeO/Cu等復合材料的熱導率也僅在120～210W/(m·K)的范圍內，還無法滿足高功率集成電路的要求。因此，研究開發具有更高導熱性能(熱導率≥400W/(m·K))且熱膨脹系數與半導體材料完全匹配的超高熱導材料具有重要意義。

傳統的散熱材料如Cu、Al具有較高的熱導率，但是熱膨脹系數與Si、InP、GaAs等半導體材料相差太大，器件工作時會產生較大的應力，很容易引起芯片和陶瓷基片炸裂或焊點、焊縫開裂。目前研究主要集中于以高導熱碳纖維、定向熱解石墨、金剛石作為增強相來制備高導熱復臺材料。其中高導熱碳纖維和定向熱解石墨都存在各向異性和生產成本昂貴的問題，而金剛石是自然界中導熱性最高的材料，常溫下的熱導率能達到2200W/(m·K)，熱膨脹系數為0.8×10^-6/K，且不存在各向異性。金剛石與傳統的金屬散熱材料(Cu、Al)合成新型散熱材料就具有了可行性，金剛石可以做為增強相與銅、鋁及其合金等高導熱金屬基材料復合，這樣就可以發揮各自的優勢，得到高熱導率、低熱膨脹系數的散熱材料。

目前，制備金剛石/金屬基復合材料的主要方法有氣體壓力融滲法、擠壓鑄造法和放電等離子燒結等。這些方法中都是通過加熱到一定的溫度使金屬基材料融化，然后液態的金屬基材料滲透進金剛石之間的間隙，進而冷卻凝固形成復合材料。但是，金剛石與一般高導熱金屬的潤濕性不夠好，所以為了提高潤濕性需要在實驗之前對金剛石顆粒進行真空鍍Cr或Ti。另一方面金剛石表面金屬化以后，金剛石顆粒和金屬基體能通過第三種元素的過渡，避免在高溫下金剛石與金屬基體反應生成有害相，使金剛石和金屬基的界面結合得到更好的改善。同時為了提高復合材料的致密性，通常需要施加一定的高壓。例如在氣體壓力融滲法中，施加的壓力高達50MPa，對設備的要求非常高。但是，金剛石在高溫環境下易發生熱損傷，并有石墨化傾向，使其本征熱導率下降。