一種金剛石/銅復合材料表面純銅涂層制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在電子封裝散熱基板用金剛石/銅復合材料基體上純銅涂層制備方法，屬于材料表面處理技術領域。
【背景技術】
[0002]以金剛石為增強相、銅為基體材料的金剛石/銅復合材料，通過調節金剛石體積分數實現高熱導和可調熱膨脹，可滿足系統散熱和組裝工藝的要求，是一種極具競爭力的新型電子封裝材料。然而，現有方法制備的金剛石/銅復合材料，其表面一般裸露著大量的金剛石。金剛石與一般的金屬之間有很高的界面能，其表面不易被金屬及焊料所浸潤，導致無法與其他材料進行連接，嚴重阻礙其在電子封裝行業的應用。已有研宄者提出在金剛石/銅復合材料表面鍍覆一層金屬保護層的設想，表面覆蓋的金屬層既要與復合材料基體結合牢固，其自身又必須具有耐高溫、抗氧化和導熱好等特性，還要與焊料潤濕性良好。通過在裸露的金剛石顆粒表面鍍覆一層金屬，使復合材料獲得連續、均勻的表面，克服裸露金剛石顆粒對焊接性的不利影響。
[0003]國內外對金剛石/銅復合材料表面鍍覆金屬保護層的報道很少，化學鍍鎳是目前最常用金剛石/銅復合材料表面金屬化處理方法。化學鍍鎳金屬化后，金剛石/銅表面潤濕性得到提高。一般金屬材料，如銅、鋁、不銹鋼等，通過電鍍或化學鍍容易實現鎳鍍層的沉積。然而，鍍層與金剛石界面不能夠形成碳化物，因此鍍層與金剛石之間的結合力相對較弱，經過焊接后連接強度也很難達到要求。同時，化學鍍鎳的熱導率很低，約為
4.396-5.6521!!!-?-1 ο將表面鍍鎳的金剛石/銅復合材料與陶瓷進行焊接后，層狀鍍鎳層的厚度會對整體導熱性能產生影響。而且，化學鍍鎳層對于基體材料的表面原有缺陷和粗糙形貌幾乎沒有任何整平和掩蓋的作用，只有在少缺陷和表面粗糙度較低的基體材料表面上才能獲得高質量的化學鍍鎳層，因此在鍍前要對金剛石/銅復合材料表面進行磨拋，以降低材料鍍后的表面粗糙度。
[0004]金屬銅的熱導率較高，且容易加工，與一般焊料潤濕良好，為此亟需開發在金剛石/銅復合材料表面制備致密低氧含量純銅涂層的方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是解決金剛石/銅表面化學鍍鎳方法制備的鍍層與基體結合力差、熱導率低及焊接性能不夠理想的問題，提供一種高效率低成本的在金剛石/銅復合材料基體上金屬涂層制備方法，制備出與基體結合良好、熱震性能優異、熱導率高、低氧含量且焊接性能大幅改善的致密純銅涂層。
[0006]本發明的技術方案由以下步驟組成:金剛石/銅復合材料基體脫脂除油后，噴砂處理，砂粒材料為46#鋯剛玉，噴砂壓力為0.1-0.3MPa，噴距150~200mm ;采用低溫超音速火焰噴涂制備銅涂層，氧氣流量750~1200 1/min，煤油流量10~20 Ι/h，燃燒室壓力
1.2-1.9MPa，未送粉條件下，利用焰流對樣品預熱1~2次，噴涂粉末為純度多99.9%的純銅粉，粒度5~50μπι，氮氣為送粉載氣，送粉速率10~100g/min ;噴距150~300mm，走槍速度500~1500mm/s，涂層沉積速率10~60μηι/遍；或采用冷噴涂制備銅涂層，氮氣或氦氣作為工作氣體，氣體溫度200~800°C，氣體壓力1.5~4MPa，噴涂粉末為純度彡99.9%的銅粉，粒度5~50 μ m，送粉速率10~100g/min ;噴距10~40_，走槍速度100~1500mm/s，涂層沉積速率10-60 μ m/ 遍。
[0007]本發明采用低溫超音速火焰噴涂或冷噴涂制備純銅涂層，其特點在于:
1.本發明采用銅作為金剛石/銅復合材料表面金屬化材料，銅具有價格經濟、容易加工、熱導率高及耐蝕性能良好等一系列優點，在電子封裝領域有著巨大的發展潛力。
[0008]2.純銅涂層與釬料潤濕性能好，能顯著提高材料可焊性，可解決金剛石/銅復合材料與陶瓷基片的連接問題。
[0009]3.純銅涂層組織致密含氧量低，具有優良的散熱性能和良好的密封氣密性，能抵御外界的高溫、高濕、腐蝕、輻射等不良環境對電子器件的影響。
[0010]4.低溫超音速火焰噴涂和冷噴涂技術制備涂層沉積效率高、速度快、成本低且制備方法綠色環保。
[0011]綜上所述，本發明所制備的純銅涂層是金剛石/銅復合材料表面金屬化的重要途徑，制備方法簡單可靠，經濟環保。
【附圖說明】
[0012]圖1低溫超音速火焰噴涂制備的純銅涂層截面形貌。
[0013]圖2冷噴涂制備的純銅涂層截面形貌。
【具體實施方式】
[0014]本發明所述的純銅涂層采用低溫超音速火焰噴涂或冷噴涂技術制備。下面對本發明的實施例作詳細說明，實施例中給出了實施方式和具體操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0015]實施例1
低溫超音速火焰噴涂制備純銅涂層。
[0016]1.金剛石/銅復合材料樣品脫脂除油后安裝于噴涂夾具中；
2.噴涂前對試樣噴涂面進行吹砂處理，砂粒材料為46#鋯剛玉，吹砂壓力控制在0.2MPa，噴距180mm，吹砂后試樣表面粗糙度均勻一致，并用壓縮空氣吹走表面殘留的砂粒;
3.采用低溫超音速火焰噴涂制備純銅涂層，氧氣流量7801/min，煤油流量13 Ι/h ;燃燒室壓力為1.56MPa，未送粉條件下，利用焰流對樣品預熱一次，噴涂粉末為純度多99.9%的霧化銅粉，粒度15~35ym，氮氣為送粉載氣，送粉速率50g/min ;噴距220mm，走槍速度1000mm/s,涂層沉積速率50 μ m/遍，噴涂12遍，涂層厚度600 μ m。
[0017]獲得的涂層氧含量為0.3wt%,孔隙率為1%，熱導率為266W/m.K。涂層截面形貌如圖1所示。
[0018]實施例2
冷噴涂制備純銅涂層。
[0019]步驟I和2同實施例1。
[0020]3.采用氮氣作為工作氣體，氣體溫度為400°C，氣體壓力為2MPa，噴涂粉末為純度彡99.9%的霧化銅粉，粒度5~20 μ m，送粉速率25g/min ;噴距20mm，走槍速度800m/s，涂層沉積速率40 μ m/遍，噴涂4遍，涂層厚度160 μ m。
[0021]獲得的涂層氧含量0.2%，孔隙率0.3%，熱導率為275W/m.K。涂層截面形貌如圖2所示。
[0022]實施例3
步驟I和2同實施例1。
[0023]3.采用低溫超音速火焰噴涂制備純銅涂層，氧氣流量900 1/min，煤油流量20ι/h;燃燒室壓力為1.35MPa，未送粉條件下，利用焰流對樣品預熱一次，噴涂粉末為純度彡99.9%的霧化銅粉，粒度10~30 μπι，氮氣為送粉載氣，送粉速率20g/min ;噴距180mm，走槍速度1500mm/s，涂層沉積速率25 μ m/遍，噴涂2遍，涂層厚度50 μ m。
[0024]獲得的涂層氧含量為0.2wt%,孔隙率為1%，熱導率為255W/m.K。
[0025]實施例4
步驟I和2同實施例1。
[0026]3.采用氦氣作為噴涂氣體，氣體溫度為250°C，氣體壓力為2.5MPa，噴涂粉末為純度彡99.9%的霧化銅粉，粒度5~20 μπι，送粉速率20g/min ;噴距24mm，走槍速度500m/s，涂層沉積速率30 μ m/遍，噴涂2遍，涂層厚度60 μ m。
[0027]獲得的涂層氧含量0.2%，孔隙率0.2%，熱導率為280W/m.K。
[0028]本發明中，涂層氧含量采用TC600氧氮測定儀測量，涂層孔隙率采用圖像分析軟件UTHSCSA Image Tool定量測定，涂層熱導率采用LFA 447閃光導熱儀測試。
【主權項】
1.一種金剛石/銅復合材料表面純銅涂層制備方法，其特征是由以下步驟組成:金剛石/銅復合材料基體脫脂除油后，噴砂處理，砂粒材料為46#鋯剛玉，噴砂壓力為0.1-0.3MPa，噴距150~200mm ;采用低溫超音速火焰噴涂制備銅涂層，氧氣流量750~12001/min，煤油流量10~20 Ι/h，燃燒室壓力1.2~1.9MPa，未送粉條件下，利用焰流對樣品預熱1~2次，噴涂粉末為純度多99.9%的純銅粉，粒度5~50 μπι，氮氣為送粉載氣，送粉速率10~100g/min ;噴距150~300_，走槍速度500~1500mm/s，涂層沉積速率10~60 ym/遍；或采用冷噴涂制備銅涂層，氮氣或氦氣作為工作氣體，氣體溫度200~80(TC，氣體壓力1.5~4MPa，噴涂粉末為純度彡99.9%的銅粉，粒度5~50 μπι，送粉速率10~100g/min ;噴距10~40_，走槍速度100~1500mm/s，涂層沉積速率10~60 μ m/遍。
【專利摘要】本發明涉及一種金剛石/銅復合材料表面銅涂層制備方法，屬于材料表面處理技術領域。其特征在于將金剛石/銅復合材料基體脫脂除油后，噴砂處理，然后采用低溫超音速火焰噴涂或冷噴涂在金剛石/銅復合材料表面制備純銅涂層。本發明提供一種高效率低成本的在金剛石/銅復合材料基體上金屬涂層制備方法，制備出與基體結合良好、熱震性能優異、熱導率高、低氧含量且焊接性能大幅改善的致密純銅涂層。
【IPC分類】C23C4-08, C23C4-12
【公開號】CN104878343
【申請號】CN201510252559
【發明人】楊焜, 劉敏, 鄧春明, 徐麗萍, 鄧暢光, 周克崧
【申請人】廣東省工業技術研究院(廣州有色金屬研究院)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月18日