一种石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料及其制备方法，属于电子封装技术领域。

背景技术：

随着gan为代表的第三代宽禁带半导体芯片的快速发展，电子器件的热密度越来越高，对电子封装材料提出了更高的散热需求，作为新一代散热材料金刚石/铜复合材料可以满足gan芯片的需要，已有中国专利zl200710178844.5公布了金刚石/铜的材料性能及制备方法。为了获得更高的热导率材料，在现有金刚石/铜复合材料中添加更高导热的材料元素。

单层石墨烯的导热系数可达5300w/mk，甚至有研究表明其导热系数高达6600w/mk。优异的导热性能使得石墨烯有望成为大功率集成电路的散热材料。将导热性能优异的石墨烯添加入金刚石/铜复合材料可以进一步提高金刚石/铜材料的热导率。

在石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料中，金刚石为颗粒状材料，石墨烯为片状颗粒，两者形状差异大，在材料制备过程中需要解决两相分散均匀性，同时需解决石墨烯与铜的界面结合问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料及其制备方法，制备由石墨烯和金刚石增强的铜基复合材料，在现有的金刚石/铜复合材料中添加高导热的石墨烯，进一步增强复合材料的热导率，满足大功率器件的高密度散热需求。

一种石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料，即为一种由石墨烯和金刚石颗粒增强的铜基复合材料，增强体由金刚石和石墨烯组成，基体为铜合金。

优选的，复合材料中，由金刚石和石墨烯组成的增强体占复合材料体积的50％-75％，其中石墨烯占复合材料体积的0.1-0.6％。

一种石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料制备方法，包括以下步骤：

1)将石墨烯与粘结剂混合均匀，然后加入金刚石颗粒混合；

2)采用冷压工艺压制，脱模，烘干，制得石墨烯和金刚石混合物的预制件；

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，脱模后制得石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料。

步骤1)中，优选的，金刚石颗粒尺寸在10-100μm，石墨烯的尺寸为10-50μm。

所述的粘结剂为石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂。石墨烯与粘结剂的混合物中，石墨烯的体积百分数为0.3％-0.6％；粘结剂与金刚石的体积比为25％-50％。

步骤2)中，所述冷压的压力为50-80mpa，保压时间为2-5min；所述烘干的温度为80-120℃，烘干时间为2-3h。

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。

本发明的有益效果：本发明采用已知工艺制备石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料，先将石墨烯表面粘附粘结剂，然后与金刚石颗粒进一步混合，可以使石墨烯均匀粘附在金刚石颗粒表面，解决两相难混合均匀的问题；已知制备工艺同时实现了金刚石与铜基体和石墨烯与铜基体的界面结合。本发明制备的材料可广泛应用于大功率半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件。

附图说明

图1为石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料制备方法流程图。

图2为实施例1制备的石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料结构示意图。

主要附图标记说明：

1金刚石2石墨烯

3铜基体

具体实施方式

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。

如图1所示，为本发明石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料制备方法流程图，首先将石墨烯与粘结剂混合，粘结剂中石墨烯的添加量为体积比0.3％-0.6％，粘结剂与金刚石的体积比为25％-50％；再将石墨烯粘结剂混合物与金刚石颗粒混合，采用冷压工艺压制，脱模，烘干，制得石墨烯/金刚石混合物的预制件，采用压力浸渗工艺或无压浸渗工艺浸渗熔融的铜或铜合金金属液至石墨烯/金刚石预制件中，冷却脱模，制得石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料。

以下实施例中金刚石采用市售人工合成金刚石。

实施例1

按照图1所示的流程，按照由金刚石和石墨烯组成的增强体占复合材料体积的70％，其中石墨烯占复合材料体积的0.4％，粘结剂中石墨烯的体积百分数为0.4％，采用金刚石颗粒尺寸为100μm，石墨烯的尺寸为30μm，粘结剂选用石蜡基粘结剂；先将石墨烯与粘结剂混合，再将石墨烯粘结剂混合物与金刚石颗粒混合，采用冷压工艺压制，冷压压力50mpa，保压3min，脱模，95℃下烘干2h，制得石墨烯/金刚石预制件，浸渗铜后制备的石墨烯/金刚石增强铜基复合材料，图2为其结构示意图，其中1为复合材料中的金刚石颗粒，2为复合材料中的石墨烯颗粒，3为复合材料中的铜基体，复合材料的热导率达到780w/mk。

实施例2

按照图1所示的流程，按照由金刚石和石墨烯组成的增强体占复合材料体积的75％，其中石墨烯占复合材料体积的0.6％，粘结剂中石墨烯的体积百分数为0.5％，采用金刚石颗粒尺寸为100μm，石墨烯的尺寸为50μm，粘结剂选用选用磷酸盐粘结剂，冷压压力70mpa，保压3min，脱模，110℃下烘干2h，制得石墨烯/金刚石预制件，浸渗铜后制备的石墨烯/金刚石增强铜基复合材料，复合材料的热导率达到800w/mk。

实施例3

按照图1所示的流程，按照由金刚石和石墨烯组成的增强体占复合材料体积的65％，其中石墨烯占复合材料体积的0.3％，粘结剂中石墨烯的体积百分数为0.3％，采用金刚石颗粒尺寸为80μm，石墨烯的尺寸为20μm，粘结剂选用石蜡基粘结剂，冷压压力70mpa，保压3min，脱模，100℃下烘干2h，制得石墨烯/金刚石预制件，浸渗铜后制备的石墨烯/金刚石增强铜基复合材料，复合材料的热导率达到750w/mk。

实施例4

按照图1所示的流程，按照由金刚石和石墨烯组成的增强体占复合材料体积的50％，其中石墨烯占复合材料体积的0.1％，粘结剂中石墨烯的体积百分数为0.6％，采用金刚石颗粒尺寸为10μm，石墨烯的尺寸为10μm，粘结剂选用磷酸盐粘结剂，冷压压力80mpa，保压3min，脱模，110℃下烘干3h，制得石墨烯/金刚石预制件，浸渗铜后制备的石墨烯/金刚石增强铜基复合材料，复合材料的热导率达到700w/mk。

实施例1-4与不加石墨烯的复合材料相比，热导率显著提高，同时石墨烯均匀粘附在金刚石颗粒表面，改善了金刚石与铜基体和石墨烯与铜基体的界面结合。本发明的材料可广泛应用于大功率半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料及其制备方法，属于电子封装技术领域。由石墨烯和金刚石颗粒增强的铜基复合材料，增强体由金刚石和石墨烯组成，基体为铜或铜合金。首先石墨烯与粘结剂混合均匀，之后加入金刚石颗粒混合，采用冷压工艺压制，脱模，烘干，制得石墨烯和金刚石混合物的预制件，采用压力浸渗工艺或无压浸渗工艺将熔融的铜或铜合金浸渗入制得的预制件中，冷却，脱模后制得石墨烯/金刚石混合增强铜基复合材料。本发明使石墨烯均匀粘附在金刚石颗粒表面，解决两相难混合均匀的问题；同时实现了金刚石与铜基体和石墨烯与铜基体的界面结合。本发明的材料可广泛应用于大功率半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件。

技术研发人员：张习敏;郭宏
受保护的技术使用者：北京有色金属研究总院
技术研发日：2017.12.19
技术公布日：2019.06.25