一種金剛石/銅梯度復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于熱管理材料技術領域，特別涉及一種金剛石/銅梯度復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]金剛石/銅復合材料因其具有高導熱、低膨脹及物理性能可調節等優異的綜合性能，成為滿足半導體激光器、微波功率電子等電子封裝器件散熱的重要候選材料。專利ZL200710178844.5中介紹了高導熱金剛石/銅復合材料及其制備方法，在金剛石/銅復合材料的研究中發現，隨著金剛石顆粒尺寸的增大，復合材料的熱導率增大，但是復合材料制品的表面粗糙度偏高，而金剛石顆粒尺寸減小后，表面粗糙度雖明顯降低，熱導率卻也有所降低。在金剛石/銅復合材料的熱沉應用過程，即要求保證熱沉的高導熱性能，同時希望熱沉的表面質量達到Ra 0.5μηι以下，如果采用150μηι的金剛石制備的復合材料熱導性能可以達至Ij 550W/mK以上，但是制品表面Ra僅能達到Ιμπι，與芯片連接時由于粗糙度過高影響材料性能的發揮。有人為了改善降低表面粗糙度，在金剛石/銅復合材料表面鍍覆(如鎳、銅等)或噴涂(如銅)金屬層的方法，對金屬層再拋光，通過這種工藝金剛石/銅復合材料的表面粗糙度大大減低，但是工藝復雜，難以保證器件的尺寸精度，且不同金屬層的界面結合力不同，后續應用過程中容易出現氣泡、鼓包的問題。
【發明內容】
[0003]針對現有技術不足，本發明提供了一種金剛石/銅梯度復合材料及其制備方法。
[0004]—種金剛石/銅梯度復合材料，其是由細顆粒金剛石/銅復合層-粗顆粒金剛石/銅復合層-細顆粒金剛石/銅復合層構成的金剛石/銅梯度復合材料，所述細顆粒金剛石的尺寸小于ΙΟΟμπι，粗顆粒金剛石的尺寸為500?ΙΟΟμπι。
[0005]所述細顆粒金剛石/銅復合層的厚度為0.5-lmm，粗顆粒金剛石/銅復合材料層的厚度根據制品所需厚度調整。
[0006]—種金剛石/銅梯度復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0007]I)粗顆粒金剛石和細顆粒金剛石分別與粘結劑混合；
[0008]2)按照細顆粒金剛石-粗顆粒金剛石-細顆粒金剛石的順序，將步驟I)處理后的粗顆粒金剛石和細顆粒金剛石依次平鋪在金屬模具中，采用冷壓工藝壓制，脫模，烘干，制得梯度金剛石預制件；
[0009]3)將熔融的銅或銅合金浸滲入步驟2)制得的預制件中；
[0010]4)冷卻，脫模后制得金剛石/銅梯度復合材料。
[0011]步驟I)中所述的粘結劑為石錯基粘結劑或磷酸鹽粘結劑。
[0012]步驟2)中所述細顆粒金剛石層的厚度為0.5-lmm，粗顆粒金剛石層的厚度根據制品所需厚度調整。
[0013]步驟2)中所述冷壓的壓力為50?80MPa，保壓2?5min;所述烘干的溫度為80?120°C，時間為2?3h。
[0014]步驟3)中所述浸滲過程采用壓力浸滲工藝或無壓浸滲工藝。
[0015]本發明的有益效果為:本發明采用已知工藝制備具有不同顆粒尺寸的金剛石/銅梯度復合材料，既保留了粗顆粒金剛石/銅復合材料高導熱性能，又降低了制品表面的粗糙度，從而滿足芯片連接的需要，降低由于制品與芯片接觸表面粗糙度過高而導致的熱阻，能夠充分發揮材料的優異性能;且工藝過程簡單，這是現有的金剛石/銅復合材料制品所無法兼顧的。本發明制備的材料可廣泛應用于半導體激光器、微波功率電子等電子封裝器件。
【附圖說明】
[0016]圖1為實施例1制備的金剛石/銅梯度復合材料結構示意圖。
[0017]圖2為金剛石/銅梯度復合材料制備方法流程圖。
[0018]標號說明:1-粗顆粒金剛石/銅復合層，2-細顆粒金剛石/銅復合層。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0020]以下實施例中金剛石采用市售人工合成金剛石。
[0021]實施例1
[0022]按照圖1所示的流程，采用的粗顆粒金剛石為250μπι，細顆粒金剛石為60μπι，粘結劑選用石錯基粘結劑，粗顆粒金剛石層的厚度為2mm，兩側細顆粒金剛石層的厚度各為0.5mm，冷壓壓力50MPa，保壓3min，脫模，95°C下烘干2h，制得梯度金剛石預制件，浸滲銅后制備的金剛石/銅梯度復合材料，圖1為其結構示意圖，其中I為粗顆粒金剛石/銅復合層，2為細顆粒金剛石/銅復合層，層次分明；其熱導率達到638W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra為0.4?0.5μπι0
[0023]實施例2
[0024]按照圖1所示的流程，采用的粗顆粒金剛石為ΙΟΟμπι，細顆粒金剛石為60μπι，粘結劑選用磷酸鹽粘結劑，粗顆粒金剛石層的厚度為2mm，兩側細顆粒金剛石層的厚度各為0.5mm，冷壓壓力60MPa，保壓3min，脫模，110°C下烘干2.5h，制得梯度金剛石預制件，浸滲銅后制備的金剛石/銅梯度復合材料，熱導率達到550W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra為0.4?0.5μmD
[0025]實施例3
[0026]按照圖1所示的流程，采用的粗顆粒金剛石為120μπι，細顆粒金剛石為40μπι，粘結劑選用石錯基粘結劑，粗顆粒金剛石層的厚度為1mm，兩側細顆粒金剛石層的厚度各為1_，冷壓壓力70MPa，保壓3min，脫模，100°C下烘干2h，制得梯度金剛石預制件，浸滲銅合金后制備的金剛石/銅梯度復合材料，熱導率達到500W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra為0.3?0.4μmD
[0027]實施例4
[0028]按照圖1所示的流程，采用的粗顆粒金剛石為ΙΟΟμπι，細顆粒金剛石為40μπι，粘結劑選用磷酸鹽粘結劑，粗顆粒金剛石層厚度為2_，兩側細顆粒金剛石層的厚度各為0.5_，冷壓壓力80MPa，保壓2min，脫模，110°C下烘干3h，制得梯度金剛石預制件，浸滲銅合金后制備的金剛石/銅梯度復合材料，熱導率達到530W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra為0.3?0.4μmD
【主權項】
1.一種金剛石/銅梯度復合材料，其特征在于，其是由細顆粒金剛石/銅復合層-粗顆粒金剛石/銅復合層-細顆粒金剛石/銅復合層構成的金剛石/銅梯度復合材料，所述細顆粒金剛石的尺寸小于ΙΟΟμ??，粗顆粒金剛石的尺寸為500?ΙΟΟμπι。2.根據權利要求1所述的一種金剛石/銅梯度復合材料，其特征在于，所述細顆粒金剛石/銅復合層的厚度為0.5?1_。3.權利要求1或2所述一種金剛石/銅梯度復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)粗顆粒金剛石和細顆粒金剛石分別與粘結劑混合； 2)按照細顆粒金剛石-粗顆粒金剛石-細顆粒金剛石的順序，將步驟I)處理后的粗顆粒金剛石和細顆粒金剛石依次平鋪在金屬模具中，采用冷壓工藝壓制，脫模，烘干，制得梯度金剛石預制件； 3)將熔融的銅或銅合金浸滲入步驟2)制得的預制件中； 4)冷卻，脫模后制得金剛石/銅梯度復合材料。4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟I)中所述的粘結劑為石蠟基粘結劑或磷酸鹽粘結劑。5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述細顆粒金剛石的厚度為0.5?Imm06.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中冷壓的壓力為50?80MPa，保壓2?5min;烘干的溫度為80?120°C，時間為2?3h。7.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中所述浸滲過程采用壓力浸滲工藝或無壓浸滲工藝。
【專利摘要】本發明涉及一種金剛石/銅梯度復合材料及其制備方法。首先粗顆粒金剛石和細顆粒金剛石分別與粘結劑混合；在金屬模具中依次平鋪一定厚度的細顆粒金剛石-粗顆粒金剛石-細顆粒金剛石，采用冷壓工藝壓制，脫模，烘干后制得梯度金剛石預制件；然后將熔融的銅或銅合金浸滲入預制件中，冷卻、脫模后制得金剛石/銅梯度復合材料。本發明既可以保留粗顆粒金剛石制備復合材料的高導熱性能，也可以降低由于制品與芯片接觸表面粗糙度過高導致的熱阻，充分發揮材料的優異性能，且工藝過程簡單，所制備的金剛石/銅梯度復合材料可廣泛應用于半導體激光器、微波功率電子等電子封裝器件。
【IPC分類】C22C9/00, C22C26/00
【公開號】CN105506355
【申請號】CN201510994306
【發明人】張習敏, 郭宏, 范葉明, 韓媛媛
【申請人】北京有色金屬研究總院
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月25日