一种包覆结构金属基金刚石复合材料的制备方法与流程

本发明属于金刚石，具体涉及一种包覆结构金属基金刚石复合材料的制备方法。

背景技术：

1、随着集成电路技术的发展，芯片的集成度越来越高，电路工作时产生的热流密度相应急剧增加，散热问题已成为芯片集成度继续提高的制约因素。高品质单晶金刚石的热导率不仅可达到2000w/mk，且还具有介电常数低、热膨胀系数低一系列优点等，在电子封装材料领域具有重要的应用前景。现有的金属基金刚石复合材料工艺很难保证大尺寸金刚石-金属基复合材料性能的均一性与稳定性。

2、目前制备金属基金刚石复合材料的方法主要有粉末烧结法与熔体浸渗法两种。粉末烧结法主要采用真空热压烧结法(vhps)，为保证复合材料有较高的致密度和热导率，金刚石的体积分数一般选为50-55％。由于金刚石的体积分数较低，颗粒间难以搭桥，粉末烧结法所制备金属基金刚石复合材料的导热系数一般低于500w/(m·k)。熔体浸渗法包括压力浸渗(气压浸渗及机械挤压浸渗)和无压浸渗，由于熔融金属液在保护气体压力、机械挤压力或毛细管力的作用下渗入金刚石颗粒堆积体的间隙，铝液渗流后能有效填充金刚石颗粒的间隙，因此与粉末冶金法相比，熔体浸渗法所制备金刚石-al复合材料的导热系数较高，但是样品制备所需时间一般长，制备效率很低，铝液的高压渗入会使颗粒堆积体位移和松动。

3、金属基金刚石复合材料要实现在电子元器件中的应用，不仅要满足高热导、低热膨胀的要求，还要满足表面极高光洁度的要求，以确保焊接层的热阻小(焊层薄、无缺陷)、热疲劳寿命高。由于金刚石是自然界中硬度最高的材料，因而无法用传统的机械加工方法将复合材料表面的浮凸磨平。专利cn102149655a中通过压力熔渗向放置了金刚石预制件的模具中浸入铝合金液，预制件放置时与模具槽前后面留有一定间隙，因而可在铝基金刚石复合材料上下表面形成铝合金层，通过对复合材料表面进行加工，可降低复合材料的表面粗糙度。但该种方法需要制备金刚石预制件，不仅工艺复杂，粘结剂的添加还会在金刚石颗粒间引入热阻，难以形成快速传热通道，限制了复合材料热导率的提高，不便批量产出。

4、制备易加工的金属基金刚石导热复合材料的难点主要在于：高导热金刚石-金属复合材料的加工是阻碍该复合材料产业化应用的重要因素，相对高昂的加工成本严重制约了该复合材料的商业化进程。而随着单晶金刚石的生产成本不断降低，金刚石的尺寸和品质不断升高，金属基金刚石复合材料的制造成本也不断降低，唯一需要克服的是金刚石复合材料的难加工特性。因此，本领域急需开发一种易加工、高均匀分散性的高导热金刚石导热复合材料。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种包覆结构金属基金刚石复合材料的制备方法，在保证所得金属基金刚石复合材料的高导热性、高均匀分散性外，同时还能保证六个表面的易加工性，且具有很高的光洁度。

2、为达到上述目的，采用技术方案如下：

3、一种包覆结构金属基金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将金属粉与粘结剂进行混练、制粒得到金属粉末喂料；

5、2)用恒温热压机将金属粉末喂料压制成0.1～0.5㎜厚的金属粉末薄片；

6、3)采用丝印机在金属粉末薄片表面制备一层单元分布的胶水，将表面有涂层的金刚石颗粒固定在胶水上，得到金刚石单元分布的金属基金刚石复合胚体；将所述金属粉末薄片作为上下表层，所述金属基金刚石复合胚体作为中间层依次叠放制成初始胚；

7、4)将所述初始胚进行脱脂、预烧结处理，冷却后取出得到预烧胚；

8、5)将所述预烧胚进行高温压力烧结得到烧结坯；

9、6)将所得烧结坯机械加工，表面抛光得到包覆结构金属基金刚石复合材料。

10、按上述方案，步骤1)所述金属粉为铜粉、铝粉中的一种，平均粒径为5～30μm，优选10～20μm。

11、按上述方案，步骤1)所述粘结剂的组成按质量百分比：

12、pe蜡(平均分子量2000～5000)：10～20％，微晶石蜡(80#微晶蜡)：20～35％；中蜂蜡(酸值为5.0～6.0)：10～25％，无规则聚丙烯(平均分子量10万～15万)：8～15％；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(平均分子量8万～10万)：1～3％；均聚甲醛(平均分子量3万～5万)：3～10％，tpee(注塑级1047d)：3～10％，硬脂酸(分子量:284)：10～15％。

13、按上述方案，步骤1)控制粘结剂所占体积比为40％～60％，优选45～55％；混炼温度为80～100℃，时间为3～4h；混炼机转速均为80～120r/min，混练后用造粒机制成直径为0.5～1mm的颗粒状喂料。

14、按上述方案，步骤2)中所述金属粉末喂料平铺在恒温热压机模具中，模具温度100～140℃，压力为30～60mpa。

15、按上述方案，步骤3)所述表面有涂层的金刚石颗粒为表面涂层厚度0.1～0.5μm的人造高温高压金刚石、人造cvd金刚石或天然金刚石；金刚石颗粒粒径为100～500μm(优选为100～300μm)，涂层材料为sic-si、tic-ti中的一种；所述涂层采用离子镀膜方式在金刚石颗粒表面制备得到。

16、按上述方案，步骤3)丝印所用胶水成分按质量百分比为：

17、松油醇90～98％、已二酸醚系塑化剂0.6～1％、氢化蓖麻油0.1～1％、卵磷脂0.2～1％、乙基纤维素0.1～3％。

18、按上述方案，步骤4)所述脱脂、预烧结处理包括以下步骤：

19、将所述初始胚置于真空度为10-3pa的真空烧结炉中，从室温(15～35℃)以5℃/min的速率升温至450～520℃，保温2～4小时(保温的目的在于完全去粘结剂和胶水)，然后以3℃/min的速率升温至所述金属粉液相线温度(铝粉为600℃～700℃，铜粉为1050～1150℃)，保温1～2小时。预烧结处理后易加工的金属基金刚石胚体有一定的结合强度，致密度达92％以上。

20、按上述方案，步骤5)所述高温压力烧结包括以下步骤：

21、将所述预烧胚在真空度10-1～10-2pa、惰性气氛(氩气或氦气)或氢-氩混合的还原性气氛(氢气体积分数为5％)下进行加热；从室温下以10～20℃/min的速率升温至所述金属粉液相线温度以下50-100℃范围(铝粉升温至550～600℃，铜粉升温至1000～1050℃温度)；达到最高温后加压，压力为30～50mpa，保温30～60min，保持压力随炉冷却至室温得到烧结坯。

22、按上述方案，步骤6)包括以下步骤：

23、用金刚石线锯、激光切割或者水刀中的一种切割方法将金刚石和金属基叠加部分的复合材料切出，并保证所得复合材料表面壳层为金属基材料，将金属表面壳层机械加工后抛光，得到表面金属壳层厚度为0.1～0.3mm、粗糙度ra均低于0.4的包覆结构金属基金刚石复合材料。

24、本发明先将金属粉与粘结剂混合后通过恒温压力机压将金属粉末喂料压制成0.1～0.5㎜厚的金属粉薄片，然后在金属粉薄片上用丝网印刷一层规则图案的胶水并将有表面涂层的金刚石颗粒固定在胶水上。然后将金属粉薄片作为上下表面和含有金刚石金属粉末薄片作为中间层堆叠后恒温预压，通过真空高温净化脱除粘结剂及胶水，高温预烧结得到一定致密度的预烧胚。最后，高温压力烧结后将规则图案切割出来，加工抛光后得到六个表面具有较高光洁度的金属基金刚石复合材料。本发明所设计的烧结后金属基金刚石复合材料表面为厚度0.1～0.5㎜金属，表面金属厚度可调，表现出优异的可机械加工性能；中间层金属基金刚石体积分数含量为50～70％，表现出优异的高导热性。本发明所制备的金属基金刚石复合材料综合热导率tc≥500(w/mk)，表面光洁度ra均小于0.4，在散热领域具有广泛的应用前景和实用价值。

25、为了保证高的导热率，本发明采用金属基金刚石复合材料作为高导热中间层，其中金刚石体积分数为50～70％，保证三维方向有相同的高导热性。

26、单层金属基金刚石复合材料具有很高的导热性和低热膨胀，但是由于金刚石颗粒硬度高所以单层金属基金刚石复合材料表面加工难度高，表面光洁度ra＞1。本发明所采用制备方法，是用金属将中间层的金属基金刚石复合层包裹。既能保证金属基金刚石复合材料的高导热性，又能保证六个表面可加工性且具有很高的光洁度(ra均小于0.4)。

27、为提高表面光洁度，本发明设计金属基金刚石复合材料表面金属厚度可调，既能保证金刚石颗粒不裸露提高金属表面光洁度及镀覆性又能保证高的整体导热性及强度。

28、为保证金属粉末的均匀性和金刚石的可控分布，需将金属粉末与粘结剂混合制成的喂料在高温下具有较好流动性，在恒温热压力机中将金属粉末喂料压制成金属粉末均匀分布的薄片，温度冷却后金属粉末薄片具有一定强度。采用丝印技术将胶水印刷在金属粉末薄片上，金刚石颗粒会牢牢粘在胶水上，无胶水的地方就不会有金刚石因此达到金刚石的可控分布。

29、另外，由于采用胶水固定金刚石，金刚石并未镶嵌在金属粉末中，这样中间层和上下表面会有一定的间隙可作为排气通道，预烧时可将粘结剂和胶水排除干净。预烧最高温度设定是相对应金属的熔点温度附近(铝粉最高温设定为600℃～700℃，铜粉最高温设定为1050～1150℃)在毛细管力的作用下表面熔融状金属向中间金刚石层填充，预烧后得到高于92％致密度的金属基金刚石预烧结胚，控制相应的升温速率以及保温时间，避免坯体在烧结过程出现变形、塌陷、裂纹等缺陷。

30、最后通过低于所述金属粉液相线温度(铝粉升温至550～600℃，铜粉升温至1000～1050℃温度)高温压力烧结，一方面是通过外力将金属挤压至金刚石间隙中，进一步提高金属基金刚石复合材料致密度达到完全致密，加强金刚石和金属的结合强度提高热导率。另一方面在压力的作用下时金属基体晶粒发生变形起到一定变形强化，增加了金属基金刚石复合材料整体强度。

31、一种包覆结构金属基金刚石复合材料所述制备方法所制备的金属基金刚石复合材料由于其高导热性和表面可加工性适用于高导热复合材料扩热板或封装热沉。本发明的有益效果在于：

32、1、本发明提供的金属基金刚石复合材料内金刚石分布均匀、金刚石体积分数(本技术的复合材料中金刚石的体积分数能达到50～70％)，金属基金刚石层表面被金属完全包裹。由于表面金属层厚度可调所以具有很高的机械加工性，可将表面金属壳层加工层任意形状。所制备的金属基金刚石复合材料具有高强度、高导热、表面光洁度高的优点，可用于制备多个面光洁度要求较高的高精度零部件。

33、2、本发明采用将金属粉末与粘结剂均匀混合所制备金属粉末喂料可重复使用，降低生产成本，大大节约资源。

34、3、本发明提供了一种包覆结构金属基金刚石复合材料热导率高、致密性好、均匀性好、且易加工。在散热及电子元器件开发方面有着广泛的应用前景。

35、4、拓展了金属基金刚石复合材料的制备方法。