专利名称：一种SiC/Cu复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高致密、低成本SiC/Cu复合材料及其制备工艺。
背景技术：
电子封装材料需要高导热和低膨胀性能。传统的电子封装材料主要是陶瓷和金属。其中陶瓷材料Al2O3、AlN、BeO等的热膨胀系数虽低，但导热性较差，而金属材料如Cu，Al虽然导热性较好，但热膨胀系数较高，都难以同时满足高导热和低膨胀要求。典型SiC颗粒的热膨胀系数为3.4×10-6/℃，弹性模量为450GPa，密度较低为3.2G/cm3，而铜的热导率高达397W/(m·℃)，热膨胀系数仅为17.7×10-6/℃。可以通过对SiC和Cu两相参数的设计，获得高导热率和低膨胀系数的复合材料。SiC/Cu复合材料作为高导热，低膨胀的电子封装材料代替传统的Al2O3、AlN、BeO等陶瓷和Cu、Invar合金等，不仅可以解决其导热性问题，而且密度较低、热膨胀系数(CTE)可调，其中SiC颗粒，具有良好的物理性能，充足的来源及低廉的成本。近年来，SiC/Cu复合材料研究日益增多。目前SiC/Cu复合材料的主要制备方法是粉末冶金法(Power MetallurgicalMethod)，其主要工艺过程为通过物理机械方法制取复合材料粉末；复合粉末高压成型；成型复合粉末在真空或惰性气体保护下热压烧结或热等静压烧结。这种方法能够做到器件净成形或接近于净成形，但其设备工艺复杂且昂贵，增强体体积分数较低(Vf＜50％)且分布不均，更主要的是材料致密度较差(＜85％)。复合材料的致密度对复合材料的性能有着决定性的影响，较低的致密度会使复合材料的强度、热导率降低，导致材料整体性能下降而无法使用。为了解决致密度较差问题，有人利用化学镀先在SiC颗粒表面覆盖金属Cu，或Ni，再通过混粉，成型，烧结的方法来制备SiC/Cu复合材料，可获得相对较高的致密度(＜95％)，但工艺更加复杂，且致密度也难以达到要求。
发明内容
为解决传统电子封装材料不能同时满足低膨胀、高导热的性能要求，以及现有的SiC/Cu复合材料致密度低，热导率低，制备方法难控制，生产成本高的问题。本发明提供了一种SiC/Cu复合材料及其制造方法，SiC/Cu复合材料具有高致密、高导热、高强度、高模量、低膨胀的特点；制作方法具有容易控制、生产成本低的特点。本发明的SiC/Cu复合材料由SiC颗粒和铜材料组成，SiC颗粒占50～75vol％，铜材料占25～50vol％；所述SiC颗粒的粒径为10～100μm；所述铜材料为紫铜或黄铜。本发明的制备方法是(1)装填将SiC颗粒装入模具的型腔之内，压制成预制块；(2)预热将装有SiC颗粒的模具预热至900℃～1100℃，铜材料加热至熔化；(3)浇铸将熔化的铜材料浇注到模具内；(4)加压浸渗通过压力机施加压力，使铜材料液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中；(5)保压冷却铜材料液体完全浸渗之后，保持压力并冷却；(6)脱模，取出铸锭。所述铜材料的加热温度为1200℃～1400℃。在加压浸渗过程中施加的压力为40MPa～60MPa。本发明的SiC/Cu复合材料具有高致密(＞98.5％)、高导热、高强度、高模量、低膨胀的优点，制作方法具有容易控制，产生成本低的优点。本材料可直接应用于大规模集成电路和大功率微波器件中的基片、嵌块、连接件和散热元件，以及雷达TR模块等。
图1是本发明SiC/Cu复合材料制备方法所用模具的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的SiC/Cu复合材料由SiC颗粒和铜材料组成，SiC颗粒占50～75vol％，铜材料占25～50vol％；所述SiC颗粒的粒径为10～100μm；所述铜材料为紫铜或黄铜。
具体实施方式
二本实施方式中SiC颗粒占60vol％，铜材料占40vol％。
具体实施方式
三本实施方式中SiC颗粒占66vol％，铜材料占34vol％。
具体实施方式
四本实施方式的SiC/Cu复合材料是在SiC颗粒中渗入铜熔体。该SiC/Cu复合材料制备方法所用的装置(参阅图1)由冲头1、模具体4、压力机台面5和电炉6组成。模具内腔上部为铸腔2，下部为型腔3。其制备方法是按具体实施方式
一取SiC颗粒和铜材料，(1)将SiC颗粒装入模具的型腔之内，按设定体积分数压制成预制块；(2)预热将装有SiC颗粒的模具预热至900℃～1100℃，铜材料加热至熔化；(3)浇铸将熔化的铜材料浇注到模具内；(4)加压浸渗通过压力机施加压力，使铜液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中；(5)保压冷却铜液体完全浸渗之后，保持压力并冷却；(6)脱模，取出铸锭。所述铜材料的加热温度为1200℃～1400℃。在加压浸渗过程中施加的压力为40MPa～60MPa。
具体实施方式
五本实施方式的制备步骤是(1)SiC颗粒装填将平均粒径为10μm的SiC颗粒装入模具型腔，型腔体积为φ65×50mm，装入262g，压实。此时预计体积率约为50％；(2)预热。将装有颗粒的模具在电炉中加热至900℃，取1500g紫铜(大于铜材料的容积比，便于装入铸腔施压，多余的铜材料浮在上面，在冷却后经切割去除)，紫铜在另一电炉中加热至1400℃；(3)浇铸将基体铜浇注至模具铸腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力为40MPa；(5)保压冷却紫铜液体完全浸渗之后，保持压力；(6)自然冷却脱模，取出铸锭材料。性能测试结果致密度为98.87％，热膨胀系数为8.9×10-6/℃，弯曲强度为500MPa，弹性模量为165GPa。
具体实施方式
六本具体实施方式
的SiC/Cu复合材料的制备步骤是(1)SiC颗粒装填将平均粒径为20μm和60μm的SiC颗粒各50％混合，装入模具型腔，型腔体积为φ65×50mm，装入395g，压实，此时预计体积率约为75％；(2)预热将装有SiC颗粒的模具在电炉中加热至950℃，取1500g黄铜(大于铜材料的容积比，便于装入铸腔施压，多余的铜材料浮在上面，在冷却后经切割去除)，黄铜在另一电炉中加热至1300℃；(3)浇铸将基体铜浇注至模具铸腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力为60MPa；(5)保压冷却黄铜液体完全浸渗之后，保持压力；自然冷却到300℃；(6)脱模，取出铸锭材料。性能测试结果致密度为98.75％，热膨胀系数为6.5×10-6/℃，弯曲强度为420MPa，弹性模量为240GPa。
具体实施方式
七本具体实施方式
的SiC/Cu复合材料制备步骤是(1)颗粒装填将平均粒径为40μm的SiC颗粒装入模具型腔，型腔体积为φ65×50mm，装入316g，压实，此时预计体积率约为60％；(2)预热将装有SiC颗粒的模具在电炉中加热至1000℃，取1500g紫铜(大于铜材料的容积比，便于装入铸腔施压，多余的铜材料浮在上面，在冷却后经切割去除)，紫铜在另一电炉中加热至1350℃熔化；(3)浇铸将基体铜浇注至模具铸腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力为50MPa；(5)保压冷却保持压力50MPa不变，温度降至400℃时卸载；(6)脱模，取出铸锭材料。性能测试结果致密度为99.21％，热膨胀系数为7.6×10-6/℃，弯曲强度为480MPa，弹性模量为200GPa。
具体实施方式
八本具体实施方式
的SiC/Cu复合材料制备步骤是(1)SiC颗粒装填将粒径为85μm的SiC颗粒装入模具型腔，型腔体积为φ65×5mm，装入342g，压实，此时预计体积率约为65％；(2)预热将装有SiC颗粒的模具在电炉中加热至1100℃，取1500g紫铜(大于铜材料的容积比，便于装入铸腔施压，多余的铜材料浮在上面，在冷却后经切割去除)，紫铜并在另一电炉中加热至1400℃熔化；(3)浇铸将基体铜合金浇注至模具铸腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力为40MPa；(5)保压冷却保持压力40MPa不变，温度降至500℃时卸载；(6)脱模，取出铸锭材料。性能测试结果致密度为98.89％，热膨胀系数为7.2×10-6/℃，弯曲强度为450MPa，弹性模量为220GPa。
权利要求
1.一种SiC/Cu复合材料，它由SiC颗粒和铜材料组成，其特征在于SiC颗粒占50～75vol％，铜材料占25～50vol％。
2.根据权利要求1所述的一种SiC/Cu复合材料，其特征在于SiC颗粒占60vol％，铜材料占40vol％。
3.根据权利要求1所述的一种SiC/Cu复合材料，其特征在于SiC颗粒占66vol％，铜材料占34vol％。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种SiC/Cu复合材料，其特征在于所述SiC颗粒的粒径为10～100μm。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种SiC/Cu复合材料，其特征在于所述铜材料为紫铜或黄铜。
6.一种SiC/Cu复合材料的制备方法，其特征在于(1)装填将SiC颗粒装入模具的型腔之内，压制成预制块；(2)预热将装有SiC颗粒的模具预热至900℃～1100℃，铜材料加热至熔化；(3)浇铸将熔化的铜材料浇注到模具内；(4)加压浸渗通过压力机施加压力，使铜材料液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中；(5)保压冷却铜材料液体完全浸渗之后，保持压力并冷却；(6)脱模，取出铸锭。
7.根据权利要求6所述的一种SiC/Cu复合材料的制备方法，其特征在于所述铜材料的加热温度为1200℃～1400℃。
8.根据权利要求6所述的一种SiC/Cu复合材料的制备方法，其特征在于在加压浸渗过程中施加的压力为40MPa～60MPa。
全文摘要
一种SiC/Cu复合材料及其制备方法，它涉及一种高致密、低成本SiC/Cu复合材料及其制备工艺。它由SiC颗粒和铜材料组成，SiC颗粒占50～75vol％，铜材料占25～50vol％。本发明的制备方法是(1)装填将SiC颗粒装入模具的型腔之内，压制成预制块；(2)预热将装有SiC颗粒的模具预热至900℃～1100℃，铜材料加热至熔化；(3)浇铸将熔化的铜材料浇注到模具内；(4)加压浸渗通过压力机施加压力，使铜材料液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中；(5)保压冷却铜材料液体完全浸渗之后，保持压力并冷却；(6)脱模，取出铸锭。本发明的SiC/Cu复合材料具有高致密(＞98.5％)、高导热、高强度、高模量、低膨胀的优点，制作方法具有容易控制，生产成本低的优点。
文档编号C22C1/00GK1563460SQ200410013649
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月26日 优先权日2004年3月26日
发明者武高辉, 陈国钦, 姜龙涛, 张强 申请人:哈尔滨工业大学