[發(fā)明專利]一種低成本的高導(dǎo)熱金剛石銅復(fù)合材料的制備方法

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• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111676385A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳鋒;王碩
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: C22C9/00
• 分類號: C22C9/00;C22C26/00;C22C1/05;C22C1/10;B22F1/00;B22F9/04;B22F3/105
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明涉及一種工藝簡單、低成本的高導(dǎo)熱金剛石銅復(fù)合材料的制備方法，具體步驟是：1.對金剛石顆粒進行超聲清洗，然后將其在氫氧化鈉溶液中浸泡，進行表面粗化處理。2.將金剛石顆粒、鋯粉、銅粉按一定的體積比混合均勻，其中，金剛石顆粒：49～51Vol％；鋯粉：2.5～3.5Vol％；余量為銅粉；之后將混合粉末裝入石墨模具中。3.將裝有混合粉末的石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中，在900～950℃進行熱壓燒結(jié)。4.將燒結(jié)體表面用丙酮清洗以除去雜質(zhì)，得到金剛石銅復(fù)合材料。所制備復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達583～605W/(m·K)，其制備工藝簡單、成本低、性能穩(wěn)定，可用于高導(dǎo)熱金剛石銅復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種工藝簡單、低成本的高導(dǎo)熱金剛石銅復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)

隨著集成電路芯片向大功率、高集成度方向發(fā)展，傳統(tǒng)電子封裝材料的散熱性能已不能滿足當(dāng)前需求。發(fā)展一種具備高導(dǎo)熱系數(shù)(＞500W/(m·K))、較低膨脹系數(shù)(與芯片相匹配)的新型電子封裝散熱材料已受到廣泛關(guān)注。金剛石在自然界中具有最高的導(dǎo)熱系數(shù)(1200～2000W/(m·K))和很低的熱膨脹系數(shù)(2.3×10^-6/K)，而銅比鋁、鎂等金屬的導(dǎo)熱系數(shù)更高、熱膨脹系數(shù)更低，因此將金剛石顆粒與銅基體復(fù)合，所制備的金剛石銅復(fù)合材料有望獲得高導(dǎo)熱、低膨脹的優(yōu)異性能，在電子封裝材料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

目前，金剛石銅復(fù)合材料的主要制備方法之一為粉末冶金法，也即將金剛石顆粒與銅粉混合，再熱壓燒結(jié)。然而，由于金剛石與銅之間無化學(xué)親和力，其界面僅為機械結(jié)合，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低。目前，解決此問題的主要方法是：①金剛石顆粒表面金屬化：在金剛石顆粒表面鍍覆Ti、Cr、Zr等碳化物形成元素，形成表層金屬碳化物，再與純銅粉進行熱壓燒結(jié)，可實現(xiàn)金剛石與銅基體的冶金結(jié)合。②銅基體合金化：通過液態(tài)噴吹霧化的方法制得含有Ti、Cr、Zr等元素的銅合金粉，再將其與裸料金剛石顆粒進行熱壓燒結(jié)。由于這些元素在高溫下向金剛石顆粒表面擴散而形成碳化物，最終可實現(xiàn)金剛石與銅基體的冶金結(jié)合。

已有眾多研究者采用金剛石顆粒表面金屬化的方法制備了金剛石銅復(fù)合材料。GAN Zuo-teng對金剛石顆粒進行鹽浴鍍鉻，再將鍍鉻金剛石顆粒與純銅粉進行放電等離子燒結(jié)(SPS)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為504W/(m·K)(GAN Zuo-teng,Research ondiamond/Cu composites fabricated by spark plasma sintering,Materials ScienceEngineering of Powder Metallurgy,2010,15(1):59-63)。鹽浴鍍本身的工藝復(fù)雜，其鍍層厚度和表面質(zhì)量的控制較為困難，因而影響對界面熱阻的調(diào)控，這可能是其導(dǎo)熱系數(shù)偏低的主要原因。Wang Yunlong采用真空氣相沉積法在金剛石表面鍍鈦，再將鍍鈦金剛石顆粒與純銅粉進行SPS燒結(jié)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為446W/(m·K)(Wang Yunlong,Structure and Thermal Properties of Layered Ti-clad Diamond/Cu CompositesPrepared by SPS and HP,Rare Metal Materials and Engineering,2018,47(7):2011-2016)。真空氣相沉積的設(shè)備成本高、鍍層與金剛石之間的界面反應(yīng)和結(jié)合力通常難以有效控制，尤其在金剛石顆粒相互接觸處極易出現(xiàn)漏鍍現(xiàn)象，這可能是其導(dǎo)熱系數(shù)明顯偏低的原因。