一种金刚石/铜梯度复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热管理材料技术领域，特别涉及一种金刚石/铜梯度复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]金刚石/铜复合材料因其具有高导热、低膨胀及物理性能可调节等优异的综合性能，成为满足半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件散热的重要候选材料。专利ZL200710178844.5中介绍了高导热金刚石/铜复合材料及其制备方法，在金刚石/铜复合材料的研究中发现，随着金刚石颗粒尺寸的增大，复合材料的热导率增大，但是复合材料制品的表面粗糙度偏高，而金刚石颗粒尺寸减小后，表面粗糙度虽明显降低，热导率却也有所降低。在金刚石/铜复合材料的热沉应用过程，即要求保证热沉的高导热性能，同时希望热沉的表面质量达到Ra 0.5μηι以下，如果采用150μηι的金刚石制备的复合材料热导性能可以达至Ij 550W/mK以上，但是制品表面Ra仅能达到Ιμπι，与芯片连接时由于粗糙度过高影响材料性能的发挥。有人为了改善降低表面粗糙度，在金刚石/铜复合材料表面镀覆(如镍、铜等)或喷涂(如铜)金属层的方法，对金属层再抛光，通过这种工艺金刚石/铜复合材料的表面粗糙度大大减低，但是工艺复杂，难以保证器件的尺寸精度，且不同金属层的界面结合力不同，后续应用过程中容易出现气泡、鼓包的问题。
【发明内容】
[0003]针对现有技术不足，本发明提供了一种金刚石/铜梯度复合材料及其制备方法。
[0004]—种金刚石/铜梯度复合材料，其是由细颗粒金刚石/铜复合层-粗颗粒金刚石/铜复合层-细颗粒金刚石/铜复合层构成的金刚石/铜梯度复合材料，所述细颗粒金刚石的尺寸小于ΙΟΟμπι，粗颗粒金刚石的尺寸为500?ΙΟΟμπι。
[0005]所述细颗粒金刚石/铜复合层的厚度为0.5-lmm，粗颗粒金刚石/铜复合材料层的厚度根据制品所需厚度调整。
[0006]—种金刚石/铜梯度复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0007]I)粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与粘结剂混合；
[0008]2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤I)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，脱模，烘干，制得梯度金刚石预制件；
[0009]3)将熔融的铜或铜合金浸渗入步骤2)制得的预制件中；
[0010]4)冷却，脱模后制得金刚石/铜梯度复合材料。
[0011]步骤I)中所述的粘结剂为石錯基粘结剂或磷酸盐粘结剂。
[0012]步骤2)中所述细颗粒金刚石层的厚度为0.5-lmm，粗颗粒金刚石层的厚度根据制品所需厚度调整。
[0013]步骤2)中所述冷压的压力为50?80MPa，保压2?5min;所述烘干的温度为80?120°C，时间为2?3h。
[0014]步骤3)中所述浸渗过程采用压力浸渗工艺或无压浸渗工艺。
[0015]本发明的有益效果为:本发明采用已知工艺制备具有不同颗粒尺寸的金刚石/铜梯度复合材料，既保留了粗颗粒金刚石/铜复合材料高导热性能，又降低了制品表面的粗糙度，从而满足芯片连接的需要，降低由于制品与芯片接触表面粗糙度过高而导致的热阻，能够充分发挥材料的优异性能;且工艺过程简单，这是现有的金刚石/铜复合材料制品所无法兼顾的。本发明制备的材料可广泛应用于半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件。
【附图说明】
[0016]图1为实施例1制备的金刚石/铜梯度复合材料结构示意图。
[0017]图2为金刚石/铜梯度复合材料制备方法流程图。
[0018]标号说明:1-粗颗粒金刚石/铜复合层，2-细颗粒金刚石/铜复合层。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0020]以下实施例中金刚石采用市售人工合成金刚石。
[0021]实施例1
[0022]按照图1所示的流程，采用的粗颗粒金刚石为250μπι，细颗粒金刚石为60μπι，粘结剂选用石錯基粘结剂，粗颗粒金刚石层的厚度为2mm，两侧细颗粒金刚石层的厚度各为0.5mm，冷压压力50MPa，保压3min，脱模，95°C下烘干2h，制得梯度金刚石预制件，浸渗铜后制备的金刚石/铜梯度复合材料，图1为其结构示意图，其中I为粗颗粒金刚石/铜复合层，2为细颗粒金刚石/铜复合层，层次分明；其热导率达到638W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra为0.4?0.5μπι0
[0023]实施例2
[0024]按照图1所示的流程，采用的粗颗粒金刚石为ΙΟΟμπι，细颗粒金刚石为60μπι，粘结剂选用磷酸盐粘结剂，粗颗粒金刚石层的厚度为2mm，两侧细颗粒金刚石层的厚度各为0.5mm，冷压压力60MPa，保压3min，脱模，110°C下烘干2.5h，制得梯度金刚石预制件，浸渗铜后制备的金刚石/铜梯度复合材料，热导率达到550W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra为0.4?0.5μmD
[0025]实施例3
[0026]按照图1所示的流程，采用的粗颗粒金刚石为120μπι，细颗粒金刚石为40μπι，粘结剂选用石錯基粘结剂，粗颗粒金刚石层的厚度为1mm，两侧细颗粒金刚石层的厚度各为1_，冷压压力70MPa，保压3min，脱模，100°C下烘干2h，制得梯度金刚石预制件，浸渗铜合金后制备的金刚石/铜梯度复合材料，热导率达到500W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra为0.3?0.4μmD
[0027]实施例4
[0028]按照图1所示的流程，采用的粗颗粒金刚石为ΙΟΟμπι，细颗粒金刚石为40μπι，粘结剂选用磷酸盐粘结剂，粗颗粒金刚石层厚度为2_，两侧细颗粒金刚石层的厚度各为0.5_，冷压压力80MPa，保压2min，脱模，110°C下烘干3h，制得梯度金刚石预制件，浸渗铜合金后制备的金刚石/铜梯度复合材料，热导率达到530W/mK，加工成制品后表面粗糙度Ra为0.3?0.4μmD
【主权项】
1.一种金刚石/铜梯度复合材料，其特征在于，其是由细颗粒金刚石/铜复合层-粗颗粒金刚石/铜复合层-细颗粒金刚石/铜复合层构成的金刚石/铜梯度复合材料，所述细颗粒金刚石的尺寸小于ΙΟΟμ??，粗颗粒金刚石的尺寸为500?ΙΟΟμπι。2.根据权利要求1所述的一种金刚石/铜梯度复合材料，其特征在于，所述细颗粒金刚石/铜复合层的厚度为0.5?1_。3.权利要求1或2所述一种金刚石/铜梯度复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与粘结剂混合； 2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤I)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，脱模，烘干，制得梯度金刚石预制件； 3)将熔融的铜或铜合金浸渗入步骤2)制得的预制件中； 4)冷却，脱模后制得金刚石/铜梯度复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤I)中所述的粘结剂为石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述细颗粒金刚石的厚度为0.5?Imm06.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中冷压的压力为50?80MPa，保压2?5min;烘干的温度为80?120°C，时间为2?3h。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述浸渗过程采用压力浸渗工艺或无压浸渗工艺。
【专利摘要】本发明涉及一种金刚石/铜梯度复合材料及其制备方法。首先粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与粘结剂混合；在金属模具中依次平铺一定厚度的细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石，采用冷压工艺压制，脱模，烘干后制得梯度金刚石预制件；然后将熔融的铜或铜合金浸渗入预制件中，冷却、脱模后制得金刚石/铜梯度复合材料。本发明既可以保留粗颗粒金刚石制备复合材料的高导热性能，也可以降低由于制品与芯片接触表面粗糙度过高导致的热阻，充分发挥材料的优异性能，且工艺过程简单，所制备的金刚石/铜梯度复合材料可广泛应用于半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件。
【IPC分类】C22C9/00, C22C26/00
【公开号】CN105506355
【申请号】CN201510994306
【发明人】张习敏, 郭宏, 范叶明, 韩媛媛
【申请人】北京有色金属研究总院
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月25日