[發(fā)明專利]一種低膨脹系數(shù)金剛石/金屬復(fù)合材料的簡易熔滲制備法

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• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112059174A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史長明
• 申請（專利權(quán)）人: 成都本征新材料技術(shù)有限公司
• 主分類號: B22F1/02
• 分類號: B22F1/02;B22F3/10;C22C26/00;C22C1/05;C22C9/00;C22C5/06;C22C21/00
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本發(fā)明公開了一種低膨脹系數(shù)金剛石/金屬復(fù)合材料的簡易熔滲制備法。該方法包括金剛石表面鍍覆、制作簡易熔滲裝置、燒結(jié)與熔滲、冷卻脫模四個步驟。本發(fā)明將傳統(tǒng)熔滲方法中的預(yù)制體制備和熔滲兩個步驟合并在燒結(jié)與熔滲一個步驟完成，使用簡易裝置和常見設(shè)備即可實現(xiàn)更低熱膨脹系數(shù)的金剛石/金屬復(fù)合材料的高效率制備，利用重物的重力和蓋板的阻擋防止密度較小的金剛石在熔滲過程漂浮，金剛石分布更加均勻，相比于傳統(tǒng)的熔滲制備方法工序更加簡單、單爐次制備效率更高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低膨脹系數(shù)金剛石/金屬復(fù)合材料的簡易熔滲制備法，所制得的復(fù)合材料可用于半導(dǎo)體器件導(dǎo)電導(dǎo)熱基板、均熱板、冷板、散熱器或熱沉材料，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

金剛石/金屬復(fù)合材料，即金剛石顆粒增強金屬基復(fù)合材料（主要指金剛石/銅、金剛石/鋁、金剛石/銀）由于采用了熱導(dǎo)率較高的金剛石作為增強相，因此此類材料的熱導(dǎo)率遠遠高于目前廣泛使用的第二、第三代封裝材料，并且熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片材料匹配，是一種極具潛力的第四代電子封裝材料。

目前金剛石/金屬復(fù)合材料的制備方法主要有三種，即高溫高壓法、熔滲法、固態(tài)燒結(jié)法。三種方法中，熔滲法由于是在銅、鋁、銀熔化狀態(tài)下滲透進入多孔金剛石預(yù)制體（也稱骨架）中，因此該方法制得的金剛石/銅、金剛石/鋁、金剛石/銀材料致密度比固態(tài)燒結(jié)法高，同時相比于高溫高壓法更具有成本優(yōu)勢。

目前的熔滲法制備金剛石/金屬復(fù)合材料，一般是將一定粒度的金剛石與一定量的粘接劑、造孔劑、塑化劑混合，再在脫脂爐中進行脫脂得到多孔金剛石預(yù)制體，再將預(yù)制體放入熔滲爐中將熔化狀態(tài)的基體金屬滲入預(yù)制體中得到金剛石/金屬復(fù)合材料。

但是，一方面這種方法所用粘接劑、造孔劑、塑化劑多為高分子材料，依靠脫脂工藝難以將全部有機成分去除干凈。特別是當金剛石預(yù)制體體積較大時，不僅脫脂時間大大延長，而且不可避免的存在有機物殘留在預(yù)制體中的現(xiàn)象，從而造成最終制得的金剛石/銅、金剛石/鋁、金剛石/銀材料中產(chǎn)生氣孔、有害碳化物和氧化物，對材料的性能和可靠性造成不利影響。制備預(yù)制體的過程也增加了材料的制備工序，生產(chǎn)效率較低，也不利于生產(chǎn)過程質(zhì)量或品質(zhì)的控制和統(tǒng)一。

另一方面，金剛石預(yù)制體是通過粘接劑來實現(xiàn)金剛石顆粒之間的連接，這種連接在熔融金屬的高溫下很難保持室溫下的強度，在熔滲過程中，金剛石顆粒之間的連接發(fā)生失效而重新成為游離狀態(tài)。因金剛石密度小于銅和鋁的密度，在浮力的作用下會漂浮在液態(tài)金屬的表面或上部，從而造成制得的金剛石/銅、金剛石/鋁、金剛石/銀材料中金剛石分布出現(xiàn)上多下少的分層現(xiàn)象。所以，傳統(tǒng)的熔滲法不適合制備較厚的材料，單個批次只能生產(chǎn)數(shù)個毫米厚度的材料，效率低，成本高。

此外，目前的金剛石/金屬復(fù)合材料一般的金剛石體積分數(shù)為50%~65%，所制得的金剛石/金屬復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)在5.8~7.5×10^-6/K范圍，而相對于Si、GaAs、GaN、InP、SiC、Ga₂O₃等半導(dǎo)體材料和AlN、Al₂O₃、Si₃N₄等陶瓷基板材料的熱膨脹系數(shù)而言明顯偏高，對半導(dǎo)體器件的可靠性帶來不利影響。而目前的熔滲爐結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且需要單獨的脫脂設(shè)備，設(shè)備造價高也是限制此類材料成本進一步下降的原因之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決傳統(tǒng)熔滲法制備金剛石/金屬復(fù)合材料中有機物殘留、金剛石分布不均勻、熱膨脹系數(shù)偏高、制備效率低、工序多、成本高、設(shè)備復(fù)雜的難題。本發(fā)明在不使用有機粘結(jié)劑的條件下將傳統(tǒng)熔滲方法中的預(yù)制體制備和熔滲兩個步驟合二為一，使用簡易裝置和常見設(shè)備即可實現(xiàn)金剛石/金屬復(fù)合材料高效率制備的目的。