一种基于负热膨胀颗粒的Cu基复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合功能材料技术领域，在前期已获得高温下结构稳定且无压力相变的负热膨胀粉体材料Sc2W3O1J^基础上，采用粉末冶金法制备Cu基Sc 2W3012复合材料。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，对材料性能提出了越来越高的要求；以电子封装材料为例，由于金属Cu具有高导热、高导电性能以及很好的可加工性能被广泛应用，但是，由于半导体集成电路的封装密度越来越大，要求封装材料不仅具备足够的强度和刚度，对芯片能起到支撑和保护作用，而且具有较低的热膨胀系数(CTE)，使之与Si或GaAs等芯片相匹配，并且要具有较高的导热率，能够将半导体芯片在工作时产生的热量及时散发出去，所以低膨胀铜基复合材料的研宄开发一直是一个热点研宄方向；国内外开展了一系列低正热膨胀材料如W、Mo、SiC、金刚石等粉体和Cu、Al的复合研宄，陆续取得了一些进展，美国SCM公司将W、Mo与Cu复合，虽保持了较高的导热性，但CTE值仍高于10.0X10_6/K ;20世纪90年代，美国Texas Instruments公司开发了一种称之为Cuvar的可控制膨胀、高热导的复合材料，在Cu中加入低膨胀合金Invar，CTE值降为0.4X 10_6/K，但热导率很低，只有11.0ff/m.K ;后来，研宄者又将碳纤维与Cu复合，但由于碳纤维性能的各向异性，使得复合材料在碳纤维的平行方向和垂直方向性能差别很大；近年来，高体分比SiC颗粒增强Cu复合材料被广泛研宄，该复合材料具有高导热和可调的低膨胀特性，但由于SiC颗粒体积分数高达55%以上，使得制备困难并且难以保证颗粒的均匀分散，得到的复合材料脆性和硬度较高，难以实现二次机加工；2002年，美国和日本相继提出被称之为Dymalloy的铜-金刚石复合材料，由于金刚石优异的导热性，复合材料在25?200°C的热导率高达600.0 ff/m.K，CTE为5.5?
6.5 X 10_6/K，但金刚石的填充量也高达55%，界面热阻和成型工艺成为该材料发展的制约瓶颈；为了降低金属基体的热膨胀系数，必须加入足够量的低膨胀粉体，而复合粉体的加入势必会牺牲金属基体的部分导热性能，且降低其可加工性，协调和解决这一矛盾已成为该方向的研宄热点，如何在较低填充体积分数下实现复合材料的低膨胀、高热导、性能稳定性和可加工性是解决该类材料实际应用的关键问题；负热膨胀材料的发现为解决这类问题提供了可能，美国麻省理工学院的Verdon和Dunand设想利用Cu的高导热性和ZrW2O8的负热膨胀(NTE)特性，研制低膨胀甚至是零膨胀的Cu基复合材料，结果发现，由于ZrW2O8极其狭窄的稳定区间(1378~1560Κ)以及较低压力(0.2GPa)下的压力相变，采用真空烧结或热等静压烧结所得复合材料中均发生ZrW2O8的分解或相变而失效；如果采用高温下结构稳定且无压力相变的NTE颗粒为复合相，完全可以获得低膨胀、高导热的Cu基复合材料，Sc2W3O12M料不仅具有较好的负热膨胀性能(-6~-1ix1_6/k)，而且高温下结构稳定，室温至1200°C不发生相变且不分解，虽有压力相变，但所需压力较高(2.7G);因此，本发明即以5(:213012粉体材料为基础，采用粉末冶金法实现低热膨胀铜基复合材料的设计、制备及性能调控。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于降低铜的热膨胀系数，制备低膨胀的Cu基Sc2W3O12复合材料。
[0004]一种基于负热膨胀颗粒Sc2W3O12的Cu基复合材料的制备方法，所用原料为:
6.5 μπι 的铜粉，Sc2W3O12粉体。
[0005]制备工艺为:
1.混粉
将原料粉体Sc2W3O12粉体与Cu粉以不同比例进行球磨，球磨完成后取出球磨罐进行干燥，再将原料粉体放入到研钵中研磨得到混合粉体。
[0006]2.压制成型
将混合粉体填入模具中，振动压实后将模具放在油压机上，加压5~10 Mpa保持3~5min后卸去压力，将模具中的样品取出。
[0007]3.烧结
采用真空管式炉进行烧结，抽真空后向炉内通入Ar/H2混合气体作为保护气体，Ar的流量为 1~1.5ml/s，4的流量为 0.3-0.5ml/s。在 500°C ~900°C烧结 1~4 h，随炉冷却。
[0008]所述的球磨指:先将原料粉体在研钵中初混，然后平均分入两个球磨罐中，加入无水乙醇进行湿法球磨，设定球磨时间为300~1200 min，球磨机每运转30 min停15 min。
[0009]所述的Sc2W3O12粉体与Cu粉以不同比例指控制Sc 2W3012粉体占原料粉体的质量比为 10%~60%。
[0010]步骤I中5(3213012质量分数50%~60%为好，较低时热膨胀系数降低不明显。
[0011]步骤2中所加压力10 Mpa为最佳，保压时间3 min为最佳。
[0012]步骤3中样品的最佳烧结温度为500~600 °C。
[0013]本发明创造性的引入负热膨胀材料5(:213012粉体颗粒作为改善铜热膨胀系数的复合相，对复合材料的热膨胀性能进行调控，该发明新颖，制备工艺简单，实用性强。
【附图说明】
[0014]图1为实例I中不同烧结温度下Cu基Sc2W3O12复合材料的XRD图谱。
[0015]图2、3、4分别为实例2中Sc2W3O12质量分数为40 %的混合粉的SEM图、烧结后复合材料的金相图以及热膨胀曲线图。
[0016]图5、6、7分别为实例3中Sc2W3O12质量分数为60 %的混合粉的SEM图、烧结后复合材料的金相图以及热膨胀曲线图。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
称取5(:213012粉30 g、Cu粉20 g，先在研钵中初混，然后平均分入两个球磨罐中，加入无水乙醇进行湿法球磨，设定球磨时间为900 min，球磨机每运转30 min停15 min，球磨完成后取出球磨罐放入干燥箱80 °C下烘12 h，再将块状混合物取出，放入研钵中研磨60 min得到均匀混合粉体；取4 g混合粉加入柱状模具中振荡压实，并在10 Mpa压力下保持3 min后脱模取样，得到直径为10_的柱状试样，多次压片制得5个样品；用真空管式炉将这5个样品分别在500 0C