含钛酸铅和/或掺杂钛酸铅陶瓷颗粒的铝基或铜基复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料领域，涉及一种含钛酸铅和/或掺杂钛酸铅陶瓷颗粒的铝基或铜基复合材料。
【背景技术】
[0002]金属基复合材料是一种重要的电子封装材料，广泛应用于各种集成电路、大功率器件、射频器件、微波器件及某些特殊领域的封装，还可用于各种封装的基板材料、热沉材料和散热片材料。当今大规模集成电路、航空、航天、电子计算机、通信等领域，对金属封装材料提出了更苛刻的要求，不仅要有良好的力学性能、电性能，还要求封装材料具有较高的热导率和匹配的热膨胀系数。通常对金属封装材料有以下几点性能要求:(I)优异的热传导性能，以便能够及时将器件工作中产生的热量散发出去；(2)金属封装材料的热膨胀系数要与芯片的热膨胀系数匹配，以提高可靠性；(3)优异的导电性能，以降低功率耗散和延迟；(4)良好的抗电磁波干扰(EMI)/射频干扰(RFI)能力；(5)较低的密度；(6)良好的力学性能，足够的抗弯强度；(7)可镀性、可焊性和耐蚀性，以实现与芯片、盖板、印刷板的可靠结合，密封和环境的保护；(8)加工成型性能良好，价格低廉。以上诸性能要求中，尤以合适的热膨胀系数和高的热导率要求极为苛刻。然而，无论是金属材料、陶瓷材料还是高分子材料，都难以同时满足以上所有性能要求，将金属和陶瓷复合，综合利用金属的高导热和导电性能及陶瓷的低热膨胀性能，有望实现上述性能要求，制备出综合性能良好的复合材料。为此必须开发合适的复合材料。
【发明内容】
[0003]为了开发低热膨胀、高热导率和综合性能良好的金属基复合材料，本发明提供了一种含钛酸铅和/或掺杂钛酸铅陶瓷颗粒的铝基或铜基复合材料。该复合材料可用于大规模集成电路、航空、航天、电子、仪器仪表等领域的封装材料或热沉材料。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种含钛酸铅和/或掺杂钛酸铅陶瓷颗粒的铝基或铜基复合材料，以体积百分比计，由30~95%金属相和5~70%陶瓷相两部分制成，所述金属相为纯铜、铜合金、纯铝或铝合金，陶瓷相为钛酸铅和/或掺杂钛酸铅，其化学式为-PbMxTihO3，其中O SxS 1，M=Fe, Zn, Nb,Mg、(Nb273Mgl73),Zr中的一种或几种。其制备方法如下:将金属相与陶瓷相经混合、冷压、真空烧结或放电等离子烧结、热挤压等工艺后，即可制得陶瓷颗粒分布均匀、界面结合良好、孔洞少，同时具有较低热膨胀系数和良好热传导性能的铝基或铜基复合材料。根据热挤压模具的不同，可直接获得板材和棒材。
[0005]本发明中，陶瓷相的平均粒径为0.1~100 μπι，金属相的平均粒径0.1-300 μ mo
[0006]钛酸铅是一种黄色晶体，相对密度7.52g/cm3，难溶于水，可溶于浓盐酸、硝酸和氢氟酸。钛酸铅是一种重要的钙钛矿铁电体，在居里点(490°C )以上，为立方顺电相，在居里点以下，为四方铁电相。发生铁电-顺电相变时，相变过程中伴随一个较大的负热膨胀行为。同时，钛酸铅是典型的各向异性负膨胀材料，其在室温至距离温度范围内均表现出热缩冷胀行为，即负热膨胀(ΝΤΕ)。此外，还可以通过元素掺杂的方式，改变钛酸铅的居里温度(铁电-顺电相变温度)以及调控铁电-顺电相变温度区间。正因如此，钛酸铅及其掺杂物均属于典型的钙钛矿铁电体，且具有较好的负膨胀性能。铝或铝合金以及铜或铜合金具有优良的导热、导电和加工性能，可用作电子封装金属基复合材料的基体。因此，本发明选择具有负体膨胀系数的陶瓷相(钛酸铅和/或掺杂钛酸铅)和具有优良的导热、导电和加工性能的铝或铜基体构成新型复合材料体系。由于钛酸铅或掺杂钛酸铅的密度大约为7.52g/cm3，比铝的密度大，比铜的密度小，所以制得的铝基复合材料的密度大于铝的密度，制得的铜基复合材料的密度小于铜的密度。在-100~+200°C的温度区间，该复合材料的工程热膨胀系数平均为4~20 X 10_6/°C，导热率在30~350 ff/ (m -K)，同时具有较好的导电性能。该复合材料可用于半导体器件封装和航空、航天、电子、仪器仪表等需要低热膨胀、高热导材料的领域。
【附图说明】
[0007]图1为【具体实施方式】二中的复合材料的XRD图谱；
图2为【具体实施方式】二中的复合材料的工程热膨胀系数。
【具体实施方式】
[0008]为了帮助理解本发明，以下用实例对本发明作进一步说明，本发明的保护范围不受这些实例的限定，本发明的保护范围由权力要求书来限定。
[0009]【具体实施方式】一:本实施方式原料为平均粒径为0.1-100 μ m的陶瓷相(钛酸铅颗粒和/或掺杂钛酸铅颗粒)和平均粒径为0.1~300 μπι的金属相(纯铜、铜合金、纯铝或铝合金)，陶瓷相的体积分数为5~70%，金属相的体积分数为30~95%。将陶瓷相与金属相在保护气体环境中均匀混合，保护气体是为了防止铜粉氧化；然后利用放电等离子烧结方法制备复合材料。最后，在600~900°C条件下热挤压，即制得陶瓷颗粒分布均匀、界面结合良好、孔洞少的铝基或铜基复合材料。在-100~200°C温度区间，复合材料工程热膨胀系数平均为4-20 X 1-V0C，导热率为 30~350W/ (m.K)。
[0010]【具体实施方式】二:本实施方式原料为平均粒径为2 μπι的钛酸铅颗粒和平均粒径为0.5 μ m的纯铜粉，钛酸铅颗粒的体积分数为60%，铜粉的体积分数为40%。将钛酸铅颗粒与铜粉在氩气环境中均匀混合，然后利用放电等离子烧结方法制备复合材料。放电等离子烧结参数为真空度K^MPa、模具压力40MPa、升温速率100°C /min、烧结温度600°C、保压时间5min;制得的铜基复合材料陶瓷颗粒分布均匀、界面结合良好、孔洞少，其XRD图谱如图1所示。如图2所示，在_100~200°C温度区间，复合材料工程热膨胀系数平均为8.5 X 10_6/°C，导热率为120 ff/ (m.K) ο
[0011]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】二不同的是，钛酸铅颗粒的体积分数为40%，铜粉的体积分数为60%。在-100~200°c温度区间，复合材料工程