一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法与流程

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法。

背景技术：

随着现代电子信息产业的飞速发展，电子元器件的设计越来越微型化和复杂化，产生的热量越来越多，散热问题成为衡量电子产品可靠性的因素之一。若散热不达标，将严重影响电子元器件的功能，甚至导致机器不能正常工作。因而，电子封装材料的性能需要满足更高的要求。

铜钼复合材料是第一代热管理材料，其热导率为184w·m^-1k^-1～197w·m^-1k^-1，现今已难以满足电子封装材料的性能要求。石墨拥有比较低的热膨胀系数和在片层方向高达10000w·m^-1k^-1～2000w·m^-1k^-1的导热率，是一种优异的金属基电子封装材料增强相。将石墨引入铜钼材料来制备石墨-铜钼基复合材料，有望获得优异的力学性能、高热导率和低热膨胀系数。但石墨和铜之间不润湿，而且石墨在铜基体中难以分散均匀，如何解决这些问题，是提高复合材料性能的关键。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法。该方法通过将电解铜粉氧化成氧化铜粉并与其它组分粉末混合后再还原，构建石墨负载铜纳米颗粒结构，将石墨均匀分散在铜粉末中，有效降低了石墨团聚现象，解决了石墨与铜之间不润湿导致的石墨在铜基体中难以分散均匀的问题，同时强化界面结合，得到力学性能优异、高热导率和低热膨胀系数的石墨-铜钼基复合材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备氧化铜粉：将电解铜粉在高温下进行氧化，然后进行高能球磨处理，得到氧化铜粉；所述氧化铜粉为表面包覆氧化铜膜的铜粉；

步骤二、制备复合粉末：将步骤一中得到的氧化铜粉、鳞片石墨与钼粉按照44.5：(2.25～18)：(5.1～51)的质量比进行球磨混合，得到复合粉末；

步骤三、制备石墨负载铜纳米颗粒复合粉末：将步骤二中得到的复合粉末放置于管式炉中，在还原气氛条件下进行还原处理，得到石墨负载铜纳米颗粒复合粉末；

步骤四、制备石墨-铜钼基复合材料：将步骤三中得到的石墨负载铜纳米颗粒复合粉末进行真空热压烧结，得到石墨-铜钼基复合材料。

由于铜粉具有良好的塑性，高能球磨会导致铜粉形成片层结构，达不到细化的目的。本发明将电解铜粉氧化和高能球磨细化后得到氧化铜粉，即表面包覆氧化铜膜的铜粉，氧化铜的塑性较铜粉低，因此氧化铜粉在与鳞片石墨、钼粉球磨混合过程中不易成片且得到进一步细化，形成了均匀的混合粉末，经还原后生成铜纳米颗粒附着在石墨上，得到石墨负载铜纳米颗粒复合粉末，从而将石墨均匀分散在铜粉末中，有效降低了石墨团聚现象，解决了石墨与铜之间不润湿导致的石墨在铜基体中难以分散均匀的问题。同时，由于石墨之间存在着铜纳米颗粒，相比石墨之间的界面结合力，铜和石墨之间的界面结合力更强，即界面结合得到强化，从而经真空热压烧结得到力学性能优异、高热导率和低热膨胀系数的石墨-铜钼基复合材料，大大改善了石墨-铜钼基复合材料的性能。

上述的一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氧化的温度为250℃～400℃，所述高能球磨处理采用的球料比为(5～20)：1，球磨速度为400rpm～500rpm。

上述的一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述球磨混合的转速为150rpm～250rpm，球磨时间为2h～4h。

上述的一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述还原处理的温度为350℃～450℃，时间为2h～4h。

上述的一种电子封装用石墨-铜钼基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述真空热压烧结的温度为700℃～1050℃，真空度低于10^-3pa，保温时间为5min～30min，压力为30mpa～160mpa。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过将电解铜粉氧化成氧化铜粉并与其它组分粉末混合后再还原，构建石墨负载铜纳米颗粒结构，使石墨均匀分散在铜粉末中，有效降低了石墨团聚现象，解决了界面结合力弱的问题。

2、本发明将石墨均匀分散在铜粉末中，强化了界面结合，从而得到力学性能优异、高热导率和低热膨胀系数的石墨-铜钼基复合材料，大大改善了石墨-铜钼基复合材料的性能。

3、本发明的原料可加工性能好，工艺简单且原料成本较低，适合大规模生产。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的复合粉末的sem图。

图2是本发明实施例1制备的石墨负载铜纳米颗粒复合粉末的sem图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、制备氧化铜粉：将200g质量纯度为99.9％的电解铜粉放置于鼓风干燥箱中，在250℃氧化5h，然后与60ml乙醇混合，进行高能球磨处理4h，经真空干燥24h得到氧化铜粉；所述高能球磨处理采用的球料比为6:1，球磨速度为450rpm；所述氧化铜粉为表面包覆氧化铜膜的铜粉；

步骤二、制备复合粉末：将44.5g步骤一中得到的氧化铜粉、4.5g鳞片石墨与30.6g钼粉进行球磨混合3h，得到复合粉末；所述球磨混合的转速为250rpm；

步骤三、制备石墨负载铜纳米颗粒复合粉末：将步骤二中得到的复合粉末放置于管式炉中，在氢气体积含量为8％的氢氩混合气氛条件下进行还原处理，得到石墨负载铜纳米颗粒复合粉末；所述还原处理的温度为400℃，时间为2h；

步骤四、制备石墨-铜钼基复合材料：将步骤三中得到的石墨负载铜纳米颗粒复合粉末进行真空热压烧结，得到石墨-铜钼基复合材料；所述真空热压烧结的温度为800℃，真空度低于10^-3pa，保温时间为5min，压力为40mpa。

经检测，本实施例制备的石墨-铜钼基复合材料的密度为7.6g/cm³。

图1是本实施例制备的复合粉末的sem图，从图1可以看出，在氧化、高能球磨和球磨混合处理的作用下，氧化铜粉被细化，鳞片石墨的尺寸变小，且部分细化后的氧化铜粉覆盖在鳞片石墨上。

图2是本实施例制备的石墨负载铜纳米颗粒复合粉末的sem图，从图2可以看出，经还原作用后，鳞片石墨的表面负载铜纳米颗粒，抑制了鳞片石墨的团聚，鳞片石墨在铜基体中分散均匀。

对本实施例制备的石墨-铜钼基复合材料的弯曲强度和纵向导热率进行检测，并与现有技术中石墨/铜基复合材料进行对比，结果如下表1所示。

表1实施例1制备的石墨-铜钼基复合材料与现有技术中石墨/铜基复合材料的弯曲强度和纵向导热率

表1中“-”表示无此项内容数据。

文献1：shubinren,“theinfluenceofmatrixalloyonthemicrostructureandpropertiesof(flakegraphite+diamond)/cucompositesbyhotpressing”,journalofalloysandcompounds652(2015)351-357。

文献2：jianhaochen,“propertiesandmicrostructureofnickel-coatedgraphiteflakes/coppercompositesfabricatedbysparkplasmasintering”,carbon121(2017)25-34。

文献3：qianyuecui,“ultrahighthermalconductivitycopper/graphitemembranecompositespreparedbytapecastingwithhot-pressingsintering”,materialsletters231(2018)60–63。

从表1可以看出，本实施例制备的石墨-铜钼基复合材料的弯曲强度是文献1中的20％石墨-20％金刚石-铜基复合材料的近两倍，但纵向导热率比文献1稍低；本实施例制备的石墨-铜钼基复合材料的弯曲强度与文献2中的20％gf/cu复合材料几乎一致，纵向导热率将近是文献3中的20％gm/cu复合材料的3倍；通过与现有技术中的石墨/铜基复合材料对比可知，本发明的制备方法有效降低了石墨团聚现象，解决了石墨与铜之间不润湿导致的石墨在铜基体中难以分散均匀的问题，并同时强化界面结合，改善了石墨-铜钼基复合材料的力学性能和纵向导热率。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、制备氧化铜粉：将200g质量纯度为99.9％的电解铜粉放置于鼓风干燥箱中，在300℃氧化5h，然后与60ml乙醇混合，进行高能球磨处理4h，经真空干燥24h得到氧化铜粉；所述高能球磨处理采用的球料比为5:1，球磨速度为400rpm；所述氧化铜粉为表面包覆氧化铜膜的铜粉；

步骤二、制备复合粉末：将44.5g步骤一中得到的氧化铜粉、18g鳞片石墨与5.1g钼粉进行球磨混合2h，得到复合粉末；所述球磨混合的转速为150rpm；

步骤三、制备石墨负载铜纳米颗粒复合粉末：将步骤二中得到的复合粉末放置于管式炉中，在氢气体积含量为8％的氢氩混合气氛条件下进行还原处理，得到石墨负载铜纳米颗粒复合粉末；所述还原处理的温度为350℃，时间为2.5h；

步骤四、制备石墨-铜钼基复合材料：将步骤三中得到的石墨负载铜纳米颗粒复合粉末进行真空热压烧结，得到石墨-铜钼基复合材料；所述真空热压烧结的温度为700℃，真空度低于10^-3pa，保温时间为15min，压力为30mpa。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、制备氧化铜粉：将200g质量纯度为99.9％的电解铜粉放置于电阻炉中，在400℃氧化5h，然后与60ml乙醇混合，进行高能球磨处理4h，经真空干燥24h得到氧化铜粉；所述高能球磨处理采用的球料比为20:1，球磨速度为500rpm；所述氧化铜粉为表面包覆氧化铜膜的铜粉；

步骤二、制备复合粉末：将44.5g步骤一中得到的氧化铜粉、2.25g鳞片石墨与51g钼粉进行球磨混合4h，得到复合粉末；所述球磨混合的转速为200rpm；

步骤三、制备石墨负载铜纳米颗粒复合粉末：将步骤二中得到的复合粉末放置于管式炉中，在氢气体积含量为8％的氢氩混合气氛条件下进行还原处理，得到石墨负载铜纳米颗粒复合粉末；所述还原处理的温度为450℃，时间为4h；

步骤四、制备石墨-铜钼基复合材料：将步骤三中得到的石墨负载铜纳米颗粒复合粉末进行真空热压烧结，得到石墨-铜钼基复合材料；所述真空热压烧结的温度为1050℃，真空度低于10^-3pa，保温时间为30min，压力为160mpa。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。