一种金属基超硬复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超硬复合材料领域，具体涉及一种金属基超硬复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着我国电子技术的不断发展，对于电子封装材料的要求不断提高，作为新一代电子封装材料的超硬材料粉体增强金属基复合材料由于具备优异的热物理性能和良好的机械性能，受到了广泛的关注。
[0003]电子封装材料的应用需要考虑两大基本性能要求，首先是高的热导率，实现热量的快速传递，保证芯片可以在理想的温度条件下稳定工作；同时，封装材料需要具有可调控的热膨胀系数，从而与芯片和各级封装材料保持匹配，降低热应力的不良影响。金属类封装材料因具有较高的热导率、较低的热膨胀系数以及机械加工性能良好，而被作为应用最广泛的核心材料，在电子封装材料发展的各个时期都具有重要的意义。但随着微纳米技术的发展以及金刚石等高热导率材料在工业上的广泛应用，而电子封装材料的发展开始由金属材料向金属与金刚石等超硬材料复合的方向发展。
[0004]金刚石的熔点为3550°C，cBN的熔点为3300°C左右。在真空中金刚石的石墨化开始于1600°C-1700°C (失效温度)，cBN的热稳定性高达1550-1800°C (失效温度)。现有的复合技术中通常采用熔渗法在金属中复合金刚石制备金属基复合材料，该方法存在以下缺点:首先金刚石与金属润湿性极差，难以直接制备出致密的复合材料，同时也带来了金刚石的石墨化及人造金刚石中杂质在高温下引起金刚石破裂等问题;其次，熔渗法受颗粒大小、渗透温度和时间等因素影响，生产过程缓慢，设备复杂;此外，采用气体压力熔渗还存在施加的压力较小、人造金刚石中杂质在高温下引起金刚石破裂从而高热热导率下降等问题。
[0005]因此，研究出一种能够制备出具有优越性能的金属类封装材料具有巨大的经济意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种金属基超硬复合材料，提供该金属基超硬复合材料的制备方法则是本发明的另一个目的。
[0007]基于上述目的，本发明采用以下技术方案:一种金属基超硬复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成:纳米金属粉20%-68.8%、超硬材料粉体30%-75%和润湿剂0.2%_5%。
[0008]优选地，所述纳米金属粉为Al、Cu或Ag纳米粉体中的一种或两种以上的混合物，粒度为50 nm _200nm。
[0009 ]优选地，所述镀覆金刚石和镀覆立方氮化硼的粒度均为50nm-300ym。
[0010]优选地，所述超硬材料粉体的镀层为镍、铜、钛或钨，镀层厚度为50ηπι-2μπι。
[0011]优选地，所述润湿剂为S1、T1、Mg、Fe、Β、Cr、Μο或W的一种或两种以上的混合物。
[0012]所述金属基超硬复合材料的制备方法，包括如下步骤:将纳米金属粉、超硬材料粉体和润湿剂球磨混合后冷压成胚体;将胚体置于真空或还原气氛中烧结，烧结温度高于纳米金属粉的熔点、低于超硬材料粉体的失效温度。
[0013]进一步地，所述纳米金属粉为Al粉，烧结温度为680-950°C，烧结时间l_3h。
[0014]进一步地，所述纳米金属粉为Cu粉，烧结温度为1100-1300°C，烧结时间l_3h。
[0015]进一步地，所述纳米金属粉为Ag粉，烧结温度为980-1200°C，烧结时间l_3h。
[0016]进一步地，冷压步骤采用双向压制，温度为15_35°C，压力为100_500MPa，保压5-30s ο
[0017]金刚石的的热导率高达700-2000W/(m.K)，而热膨胀系数和密度仅有1.0 X 10一6K一1和3.52g/cm3; cBN(立方氮化硼)的热导率仅次于金刚石，可达1300W/Cm.K)，是Cu和Ag的4-5倍，线膨胀系数约为4.7 X 10—I—1。若将金刚石或cBN与金属粉末复合完全能够提高其热导率、低膨胀的要求。
[0018]△1、&1和六8的熔点分别为660°(:、1083°(:、962°(:，热导率分别为238、109、4291八111.K)。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
(1)本发明采用镀覆的金刚石或cBN，在金刚石或cBN表面进行镀覆后，可以通过该层金属与基体金属或润湿剂形成稳定的化学冶金结合，改善金刚石或cBN与金属的润湿性，从而提尚超硬材料与金属之间的界面结合力，进而提尚材料的热导率。
[0020](2)在金刚石表面进行镀覆可以减少金刚石被氧化和石墨化的程度;在cBN表面进行镀覆可以减少cBN高温下的氧化和反转化。
[0021 ] (3)与压力熔渗法相比，通过本发明提供的方法制备出的复合材料可以精确的控制超硬材料和金属的体积配比，从而精确的控制制备出的金属基超硬复合材料的热物理性能，生产过程快，设备简单，采用镀覆的超硬材料降低了金刚石或cBN破裂率。
[0022](4)本发明中添加了润湿剂，润湿剂与复合材料的两相形成良好的化学结合，从而改善复合材料的界面结构。同时还可以通过调控镀覆参数来直接控制镀层的厚度、结构和成分组成等参数，从而有目的性地优化复合材料界面;而镀层厚度超出2μπι后，镀层则会导致超硬材料的性能下降，不利于提高符合材料的热导率。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0024]对比例I
一种金属基超硬复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成:50%的粒度为10nm的Cu纳米粉体、49.5%的粒度为50μπι金刚石粉(无镀层)和0.5%的Si粉。
[0025]上述金属基超硬复合材料的制备方法，包括如下步骤:(I)将Cu纳米粉体、金刚石粉(无镀层)和Si在球磨罐中混合4h后，在15°C、250Mpa条件下双向压制20s，制成胚体；
(2)将胚体干燥后置于1100°C真空或还原气氛中烧结3h，得到Cu基金刚石的复合材料。
[0026]经检测对比例I制备的Cu基金刚石的复合材料的热导率为425ff/(m.K)，热膨胀系数为6.2 X 10—6IT113
[0027]实施例1
一种金属基超硬复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成:50%的粒度为10nm的Cu纳米粉体、49.5%的粒度为50μπι镀Cu金刚石粉和0.5%的Si粉，其中镀层厚度为80nm。
[0028]上述金属基超硬复合材料的制备方法，包括如下步骤:(I)将Cu纳米粉体、镀Cu金刚石和Si在球磨罐中混合4h后，在15°C、250Mpa条件下双向压制20s，制成胚体；
(2)将胚体干燥后置于1100°C真空或还原气氛中烧结3h，得到Cu基金刚石的复合材料。
[0029]经检测实施例1制备的Cu基金刚石的复合材料的热导率为535W/(m.K)，热膨胀系数为5.6X10—6K'与添加无镀层的金刚石颗粒相比，添加镀Cu金刚石所制备的复合材料的热导率与对比例I相比提高了将近110 ff/(m.K)，热膨胀系数降低了0.4X10—6K'
[0030]实施例2
一种金属基超硬复合材料，由以下体积百分比的原料制备而成:40%粒度为80nm的Al纳米粉体、59%的粒度为150μπι的镀Ti金刚石粉和1%的Mg粉，其中镀层厚度为200nm。
[0031]上述金属基超硬复合材料的制备方法，包括如下步骤:(I)将Al纳米粉体、镀Ti金刚石粉和Mg粉在球磨罐中混合3h后，在35°C，10MPa条件下双向压制30s，制成胚体；
(2)将胚体干燥后置于680°C真空或还原气氛中烧结2h，得到Al基金刚石的复合材料。
[0032]经检测实施例2制备Al基金刚石的复合材料热导率为635W/(m.K)，热膨胀系数为6.7X10—I—1。与添加无镀层的金刚石颗粒相比，添加镀Ni的金刚石所制备的复合材料的热导率与对比例I相比提升了将近210 ff/(m.K)。
[0033]实施例3
一种金属基超硬复合材料，由以下重量百分比的原料制备而成:50%的粒度为60nm的Ag纳米粉体、49.8%的粒度为10nm镀Ni金刚石粉和0.2%的5丨粉，其中镀层厚度为300111110
[0034]上述金属基超硬复合材料的制备方法，包括如下步骤:(I)将Ag纳米粉体、镀Ni金刚石粉和Si粉在球磨罐中混合3h后，在20°C，500Mpa条件下双向压制10s，制成胚体；
(2)将胚体干燥后置于100tC真空或还原气氛中烧结3h，得到Ag基金刚石的复合材料。
[0035]经检测实施例3制备Ag基金刚石的复合材料热导率为647W/(m.K)，热膨胀系数为5.6X10—I—1。与添加无镀层的金刚石颗粒相比，添加镀Ni金刚石所制备的复合材料的热导率与对比例I相比增大了将近220 ff/(m.K)，热膨胀系数降低了0.6X10—6K'
[0036]实施例4
一种金属基超硬复合材料，由以下重