一种螺旋线增强金属基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高性能电子封装功能材料领域，特别是提供了一种超高导热螺旋线增强金属基复合热沉材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]通讯卫星用高功率密度器件，核聚变装置用面对等离子体材料在运行过程中会产生和积累大量的热量，为保证设备的稳定运行，需要将产生的热量及时导出，因而对材料的热传导性能提出了很高的要求。航天飞行器的许多电子部件需要在40?60°C的环境温度下正常工作，因此仪器运行过程中产生的热量必须及时导出。芯片集成度和封装密度的提高带来的一个首要问题就是器件单位功率不断提高，发热量不断增大，使得器件的工作环境恶化。降低芯片温度可有很多方法，如:冷冻法、水循环冷却、微型风扇散热等，但这些都不能从根本上解决散热问题。提高封装材料的导热性能，是解决这一问题的根本措施。传统的微波功率器件的外壳和散热基板均为可伐合金或W-Cu合金，其中W-Cu合金的热导率较高，为231W/m.k，密度为14.989/cm3。一方面，该类材料的密度较大，增加了器件的重量，同时热导率已不能满足大功率微波器件对材料热性能的要求。开发一种高导热、低密度的新型材料已成为迫切需要解决的问题，此材料须具有高的热导率，保证及时有效的将热导出，且符合现代电子封装材料轻量化的发展趋势。
[0003]颗粒增强金属基(如金刚石/铝、金刚石/铜、金刚石/银等)复合材料以其低膨胀、高导热等特性在电子封装领域有着广泛的应用前景。近年来国内外关于金刚石颗粒增强金属基复合材料的报道逐渐增加。在金刚石颗粒增强金属基复合材料的研究过程中，人们发现复合材料的组织结构对其热物理性能存在很大的影响。这些组织结构有界面、位错、孪晶以及孔洞等，其中界面的影响尤为突出。金属基复合材料由基体金属和增强体两部分构成，改变或调整基体成分将在以下两个方面影响材料的性能:首先表现在对基体材料本身热物性的影响，其次则表现为对基体与增强体界面结合状况的影响。界面的存在会产生界面热阻(Thermal resistant of interfaces)，阻碍热量的传输，从而界面越多越不利于热量的传输，表现为材料的热传导率下降。因此减少复合材料中的界面将大大有利于热量的传输，使热导率得到提高。
[0004]由此可见，如金刚石颗粒增强铝基复合材料而言，由于界面热阻的存在，其热物理性能尤其是热传导性能必将受到很大的影响。从理论上来讲，金刚石颗粒增强金属基复合材料的热导率存在一个最大极限值。这势必会制约金刚石颗粒增强金属基复合材料的进一步地研制开发。如何开发出具有较少界面且各向同性的金刚石/金属基复合材料，将会成为研究的趋势。
[0005]金刚石在电子封装领域的应用最早是通过CVD金刚石自支撑厚膜来实现的，由于要求较大的厚度，大大提升了使用成本。化学气相沉积技术可在复杂形状的衬底表面制备连续致密的高质量金刚石膜，可使金刚石晶粒间形成连续的导热通道，因此有部分学者一直在探索利用CVD法来制备金刚石膜/铜复合材料。
[0006]本发明人课题组前期的发明专利CN102244051A公开了一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法:1)将CVD金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，并通过挤压使铜基体发生塑性变形，从而使铜与金刚石棒完全接触耦合;2)将CVD金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，再通过电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向沉积铜，使铜完全包覆金刚石棒，与金刚石完全接触耦合。该法制备的铜基金刚石复合材料具有较好的定向导热性能，但由于其金刚石棒与基体金属之间润湿性极差，两相界面结合不紧密，在金刚石棒与基体金属之间的界面处形成了很大的热阻，其热导率还有待更进一步优化。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能实现超高导热的螺旋线增强金属基复合热沉材料。
[0008]本发明所要解决的第二个技术问题提供一种实现该超高导热的螺旋线增强金属基复合热沉材料的制备方法。
[0009]为解决上述第一个技术问题，本发明提供一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述的复合热沉材料是在基体金属中设置有螺旋导热线，螺旋导热线与基体金属为冶金结入口 ο
[0010]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述的基体金属为高导热轻质金属材料，具体是指金属铝、铜、银中的一种或铝合金、铜合金、银合金中的一种。
[0011]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述的螺旋导热线为表面改性金刚石螺旋线或表面改性石墨烯螺旋线;所述表面改性金刚石螺旋线或表面改性石墨烯螺旋线的表面均设置有金属膜改性，金属膜的作用在于改善金刚石与基体金属之间的湿润性，因此，相邻膜层之间应该选择湿润性较好的膜层材料。
[0012]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述金属膜为与金刚石或石墨烯润湿性好的一层金属薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜;或
[0013]所述金属膜为复合膜，所述复合膜由底层与面层组成，所述底层为与金刚石或石墨烯润湿性好的一层金属薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜；
[0014]所述面层为金属膜或合金膜，根据金属基体和底层金属特性，构成面层的金属膜或合金膜选择单层膜或多层膜;金属膜的材料选自与基体金属和/或底层金属润湿性好的金属钒、钨、铜、钛、钼、镍、钴、铝、银中的一种金属的单层膜或多层膜;合金膜的材料选自与基体金属和/或底层金属润湿性好的金属钒、钨、铜、钛、钼、镍、钴、铝、银中的至少一种金属的合金的单层膜或多层膜。
[0015]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述表面改性金刚石螺旋线或表面改性石墨烯螺旋线内部均含有金属螺旋线芯;所述金属螺旋线芯材料选自钨、钼、铜、钛、银、金中的一种细丝状丝材或选自妈合金、钼合金、铜合金、钛合金、银合金、金合金中的一种细丝状丝材;所述金属螺旋线芯的直径为0.014?2.0mm。
[0016]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述螺旋导热线体积占复合热沉材料总体积的比例为1?80%。
[0017]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述螺旋导热线为表面改性金刚石螺旋线;所述表面改性金刚石螺旋线表面设置有合金膜或复合膜改性，内部均含有钨铜合金螺旋线芯;所述钨铜合金螺旋线芯材料为钨铜合金的细丝状丝材;所述钨铜合金螺旋线芯的直径为0.014?2.0mm;所述合金膜为与金刚石润湿性好的妈铜合金薄膜，厚度为100?400nm;所述的复合膜为妈铜合金膜/石墨稀膜/妈铜合金膜，厚度为100?300nm/0.34?1 Onm/100?300nm ；所述的石墨稀膜采用化学气相沉积法制备。
[0018]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，所述金属螺旋线芯或钨铜合金螺旋线芯选自平面螺旋线、柱状螺旋线、锥状螺旋线中的任意一种;或
[0019]所述金属螺旋线芯或钨铜合金螺旋线芯选自由柱状螺旋线在平面内旋绕而形成的平面螺旋结构、由柱状螺旋线在空间旋绕而形成的柱状螺旋结构或锥状螺旋结构中的任意一种;或
[0020]所述金属螺旋线芯或钨铜合金螺旋线芯选自平面螺旋线外套装有平面螺旋结构、柱状螺旋线外套装有柱状螺旋结构、锥状螺旋线外套装有锥状螺旋结构中的任意一种。
[0021]本发明一种螺旋线增强金属基复合热沉材料，在所述的金属基体中还分布有经过表面改性的金刚石颗粒，金刚石颗粒与金属基体为冶金结合，金刚石颗粒粒度为1?200μηι，所述金刚石颗粒占复合材料总体积的百分含量为0?50%;所述的表面改性金刚石颗粒是在金刚石颗粒表面镀覆金属膜层；
[0022]所述金属膜层为与金刚石润湿性好的金属薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜;或
[0023]所述金属膜层为复合膜，所述复合膜由底层与面层组成，所述底层为与金刚石润湿性好的金属薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜;所述面层为金属膜或合金膜，根据金属基体和底层金属特性，构成面层的金属膜或合金膜选择单层膜或多层膜;金属膜的材料选自与基体金属和/或底层金属润湿性好的金属钒、钨、铜、钛、钼、镍、钴、铝、银中的一种金属的单层膜或多层膜;合金膜选自与基体金属和/或底层金属润湿性好的金属钒、钨、铜、钛、钼、镍、钴、铝、银中的至少一种金属的合金的单层膜或多层膜；
[0024]所述的改性金刚石颗粒与表面改性金刚石螺旋线体积比是(0?20%):(3?60%)；
[0025]所述的改性金刚石颗粒与表面改性石墨烯螺旋线的体积比是(0?20%): (1?20%)0
[0026]本发明一种螺旋线增强金属