[发明专利]一种制备高导热金刚石/Cu复合材料方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料研究领域，涉及一种制备高导热金刚石/Cu 复合材料的方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，电子器部件中的芯片集成度越来越高，功 率越来越大，对封装材料的散热要求也越来越高。同时，封装材料热膨胀 系数还应与陶瓷基片和芯片保持匹配，因为封装材料与陶瓷基片和芯片的 热膨胀系数相差太大，就很容易引起芯片和陶瓷基片的炸裂或某些焊点、 焊缝的开裂，从而导致电子器件失效。因此，导热率(TC)和热膨胀系数 (CTE)是发展现代电子封装材料所必须考虑的两大基本要素。传统的金 属材料很难同时兼顾对上述各种性能的要求，而金属基复合材料(MMC)可 以将金属基体优良的导热性能和陶瓷材料低膨胀系数的特性结合起来，可 以获得既具有良好导热性又可在相当广的范围内与多种不同材料的热膨胀 系数相匹配的复合材料，已成为高性能电子封装材料发展的方向。

常用增强相W、Mo和SiC的导热率分别为168、140和65～200W· m-1·K-1，基体相Al和Cu导热率分别为221和398W·m-1·K-1。金刚 石具有所有物质中最高的导热率(700～2000W·m-1·K-1)，采用60vol.％ 以上的金刚石颗粒与铜复合，复合材料的导热率可望超过800W·m-1·K-1 以上，此外，随着人工合成金刚石技术的发展，金刚石粉末的价格已大幅 降低(＜2000元/公斤)，单位体积的价格已接近甚至低于W、Mo等难熔金 属。因此，金刚石-铜复合材料已成为继W-Cu第一代封装材料、SiCp/Al 第二代封装材料后第三代高性能电子封装材料的重点研究对象。

然而已有的实验结果表明，采用粉末冶金或熔渗等方法直接将60vol％ 金刚石、40vol％纯Cu进行复合时，复合材料的热导率仅为170W/m·K左 右，远远低于理论值。这主要是由于复合材料的热导率除了取决于基体和 增强体的热导率外，基体与增强体的界面结合状况对于复合材料的导热行 为也有非常重要的影响。由于金刚石与Cu二者不相容，也不润湿，其界面 结合为弱的机械物理结合，使得热量在金刚石与Cu之间传输的热阻加大， 从而严重影响复合材料的导热性能。因此，为了充分发挥金刚石优异的热 性能、制备高热导的复合材料，金刚石与Cu的界面改性是必须要解决的关 键科学问题。

发明内容

本发明目的是解决金刚石与Cu的界面改性问题，充分发挥金刚石优异 的热性能、制备高热导的复合材料。

一种制备高导热金刚石/Cu复合材料的方法，其特征是先在金刚石粉体 表面镀覆厚度约0.1-5μm的Cr-B复合层后，然后再通过SPS(放电等离子 烧结)粉末冶金、热压或熔渗工艺与Cu进行复合的方法来提高金刚石/Cu 复合材料的导热性能，具体工艺为：

首先采用磁控溅射的方法在粒度为10-150μm的金刚石粉末表面镀覆 0.1-5μm的Cr-B复合层，其中Cr∶B＝30-70∶70-30(质量比)，然后再采 用SPS粉末冶金工艺、热压或熔渗工艺与Cu进行复合。采用SPS粉末冶 金工艺将镀覆Cr-B的金刚石粉末与Cu进行复合时，所选用的Cu粉末粒 度为30-120μm，温度为850-1070℃，压力为30-50MPa；采用熔渗工艺将 镀覆Cr-B的金刚石粉末与Cu进行复合时，温度为900-1100℃，熔渗压力 为1-3MPa；采用热压工艺将镀覆Cr-B的金刚石粉末与Cu进行复合时，温 度为800-1000℃，熔渗压力为30-70MPa，气氛为氩气气氛或真空

本发明通过在制备复合材料前，先采用磁控溅射的方法在金刚石粉体 表面镀覆0.1-5μm Cr-B复合层后，再采用粉末冶金、热压或熔渗工艺与Cu 进行复合的方法来提高金刚石/Cu的导热性能，通过在金刚石与Cu之间建 立由金刚石+(Cr-B)C+基体Cu组成的强化学键界面过渡层后，复合材料 的热导率由原来的170W/m·K左右提高到500W/m·K以上。该方法不仅可 以有效地提高金刚石/Cu复合材料的热导率，而且可以防止金刚石粉体的高 温石墨化。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式：

实施例1：采用磁控溅射的方法在金刚石粉体表面镀厚度为4μm的Cr-B(质 量比约40∶60)复合层，金刚石粒度为50μm，Cu粉末粒度50μm，金刚 石与Cu粉末的体积比为55∶45。