一种三明治结构金刚石-Al复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超高导热金属基复合材料，具体而言，涉及的是一种电子封装用表面可加工、具有超高导热率的三明治结构金刚石-Al复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着电子技术不断发展，电子器件和电子设备中元器件日趋复杂和集成化，势必会导致器件产生的热量增多，由于温度过高引起的元器件失效时有发生，散热问题在电子信息产业发展中已经受到广泛关注。金刚石是自然界中导热系数最高的物质(可高达2000ff/m.Κ)，其导热系数是铜的4-5倍、销的8_10倍，且膨胀系数很低，所以将金刚石颗粒与金属(Al，Cu、Ag等)复合制备成复合材料，可使其具备超高导热率(>400W/m*K)、低膨胀系数(与芯片半导体材料S1、GaAs接近)的特性，适合用作高性能电子封装散热材料。金刚石-Al复合材料不但具有超高导热率、低膨胀系数的特点，且其密度也远低于其他的金刚石-金属复合材料，因此更具应用价值。
[0003]目前，金刚石-金属基复合材料的主要制备方法有粉末冶金法(热压烧结)和液态金属渗流法。粉末冶金法制备的步骤有:金刚石颗粒(50-200 μπι)与金属粉末的混合(两者的体积分数接近50% )、冷压、高温热压和烧结、冷却。由于金刚石颗粒硬度极高、不可变形，在高压下模具表面会产生微变形，即导致压坯表面产生金刚石的微浮凸。在烧结过程中，金属粉末会产生致密化收缩，同时在冷却时金属基体会产生显著的固态收缩(金刚石颗粒的收缩远低于Al，Cu，Ag等的收缩)。上述因素会导致复合材料表面有金刚石颗粒的明显浮凸。液态渗流法制备的步骤有:将熔融金属液在压力作用下渗入金刚石颗粒(50-200 μm)堆积体(预制件)的间隙(金刚石颗粒的堆积密度约60%)，再冷却。由于基体金属在冷却时存在液态收缩、凝固收缩和固态收缩，金刚石颗粒在复合材料表面的浮凸将更为严重。
[0004]在电子封装的应用中，需将薄片状金刚石-金属基复合材料与芯片通过钎焊联结。由于复合材料中金刚石颗粒的体积分数高达50-60%，在材料表面必然存在金刚石颗粒的裸露，故需要在复合材料表面镀覆一层金属(如金属Ag)对金刚石颗粒进行表面改性，然后通过钎焊使复合材料散热片与芯片实现金属联接。由上所述可知，由于复合材料表面粗糙度很大(金刚石颗粒浮凸严重)，镀覆金属后使表面更加粗糙(金属优先在凸点处沉积)，会使焊接质量变差，易形成虚焊、气孔等缺陷；另一方面，所制备的金刚石-金属基复合材料的平整度较差，导致复合材料散热片与芯片间的焊缝变厚，或厚薄不均。上述因素均降低合材料与芯片间的导热性，影响电子元器件的散热和使用寿命。
[0005]电子封装用散热片对表面平整度和粗糙度有严苛的要求(< I ym)，以确保焊接层的热阻小(焊层薄、无缺陷)、热疲劳寿命高。由上述可见，几种常用的制备方法获得的复合材料表面都会产生金刚石颗粒的浮凸，远不能满足表面质量要求。由于金刚石是自然界中硬度最高的材料，很难用传统的机械加工方法将复合材料表面的浮凸磨平。例如，采用机械抛光时，由于较软的基体金属被磨去，或导致金刚石的浮凸更严重，或导致材料表面的金刚石颗粒脱落，形成直径几十到几百微米的凹坑。因此，制备出表面可加工的金刚石-金属复合材料变得尤为重要。
[0006]有文献报道(任淑彬，郭彩玉等，多孔金刚石坯体熔渗铜工艺，粉末冶金材料科学与工程，2013，18 (2):205-210)，通过在多孔金刚石预制件上下放置金属Cu块，在Cu熔化后机械加压使Cu液渗入多孔金刚石预制件间隙，能确保金刚石-Cu复合材料的组织致密。若复合材料的上下两面有剩余的铜层(论文没有说明)，其表面将具有可加工性。但从其加工原理上分析，该法难以控制上下表面铜层的厚度(要求铜层很薄且均匀)。
【发明内容】
[0007]技术问题:针对电子封装用散热片对表面的平整度和粗糙度的严苛要求，本发明提供一种表面可加工、具有超高导热率的三明治结构金刚石-Al复合材料的制备方法。
[0008]本发明采用粉末冶金法制备金刚石-Al复合材料。通过在金刚石-Al复合材料的上下表面包覆一层厚度均匀的铝层形成三明治结构，可实现复合材料表面的可加工性，使其表面的平整度和粗糙度能够满足钎焊的要求，且操作简便。同时，由于样品表面无金刚石颗粒裸露，能够省去镀Ag环节，直接进行钎焊。目前，用于电子封装的铝软钎焊工艺已成熟，本发明方法能有效节约钎焊成本，提高效率。
[0009]技术方案:本发明的三明治结构金刚石-Al复合材料的制备方法包括以下步骤:
[0010]第一步:将体积分数为40-55%的镀膜金刚石颗粒和体积分数为45-60%的铝粉置于三维行星式混粉机上混合6h，得到均匀的金刚石-Al复合粉末，
[0011]第二步:将金刚石-Al复合粉末在液压机下冷压成形，得到金刚石-Al粉末压坯，
[0012]第三步:将铝箔包覆在金刚石-Al粉末压坯的上下两面，并装入压制模具中，
[0013]第四步:在真空热压炉中对上述压坯进行烧结，烧结温度630_650°C，烧结压力30-70MPa，真空度10_3Pa，保温时间30_120min，冷却后得到三明治结构金刚石-Al复合材料，
[0014]第五步:对三明治结构金刚石-Al复合材料上下表面的铝层采用磨削、机械抛光和电解抛光中的一种或两种进行表面加工，使表面平整度和粗糙度满足电子封装用散热片的要求。
[0015]所述的镀膜金刚石颗粒为MBD4型，粒径为89-200 μ m，表面镀钛。
[0016]所述Al粉为氮气雾化铝粉，粒径为20-30 μ m?
[0017]所述冷压，压力为100_200MPa。
[0018]所述铝箔，厚度为100-400 μ m。
[0019]所述电解抛光，电解液配方为磷酸30_40vol%，硫酸20_30vol%，聚乙二醇PEG20-30vol% ;电解抛光温度80-90°C，电流密度30_40A/dm2，抛光时间5_30min。
[0020]有益效果:
[0021]I)在真空热压烧结时，铝箔在高温高压下可产生一定的塑性流动，能有效补偿基体金属烧结时产生的致密化收缩和冷却时产生的固态收缩，并使浮凸的金刚石颗粒被金属铝充分包裹。
[0022]2)在真空热压烧结时铝箔与基体铝之间发生扩散，同时铝箔与金刚石表面镀层Ti反应形成钛铝化合物，即铝箔与复合材料间能形成可靠的金属联接，界面结合强度高、热阻小。
[0023]3)由于在金刚石-Al复合材料表面有一层铝，可以对制得的复合材料表面进行磨肖IJ、机械抛光或电解抛光，从而满足电子封装用散热片的对表面平整度和表面粗糙度的苛刻要求。
[0024]4)在真空热压烧结时，铝箔在高温高压下可产生一定的塑性流动，能对金刚石-Al复合粉末压坯提供近似于热等静压的压制条件，能进一步提高复合材料的致密度及其均匀性，因而三明治结构金刚石-Al复合材料的热导率(表面铝层经磨削、抛光后)与金刚石-Al复合材料的热导率相比有所提高。
[0025]5)由于金刚石-Al复合材料表面有一层铝，无金刚石颗粒裸露，可省去钎焊前对复合材料表面镀Ag的环节，节约成本，提高效率。
[0026]6)金刚石颗粒越粗大，浮凸越严重。