[发明专利]一种高导热石墨晶须/铜复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种高导热石墨晶须/铜复合材料的制备方法。 

背景技术

电子封装材料的开发与设计一直以来是电子设备热管理的重要一环，现代热管理要求电子封装材料具有高热导率（TC），低膨胀系数（CTE），加工性能良好以及较低的价格。Cu/Mo、Cu/W、Al/SiC、AlN等传统材料经常被用于电子封装领域，这些材料各自有一定局限性，如Cu/Mo、Cu/W密度过高，Al/SiC、AlN的CTE较高，高热导的金刚石复合材料则受限于价格和加工性能。

新一代石墨晶须具有低的热膨胀系数、高的纵向热导率，热导率最高可达1100 W/(m·K)、低密度，其良好的物理性能适合用于金属基电子封装材料的增强相。采用粉末冶金工艺将石墨晶须与铜基复合所制得的各项同性高导热的复合材料，其导热性能优异、热膨胀系数低、轻质且易加工、制备工艺简单、成本较低，具有广泛的应用前景。

在复合材料的制备过程中，增强相与基体之间的界面结合状况对复合材料的性能有着很大的影响。研究表明，铜和碳进行复合时，由于界面润湿性差，使得复合材料的导热性能不佳。因此，如何加强界面结合是提高复合材料性能的关键。

发明内容

       本发明的目的在于提供一种用高导热、低膨胀石墨晶须作为增强相，制备热膨胀系数可调、高导热铜基电子封装复合材料零件的方法。

       本发明采用化学镀或盐浴镀的方法对晶须进行表面金属化，增加铜-碳之间的润湿性，有效改善晶须与铜的界面结合，然后将处理后的晶须与铜粉均匀混合，最后采用等离子体放电烧结工艺制备高性能的石墨晶须/铜基复合材料。

一种高导热石墨晶须/铜复合材料的制备方法，其特征是使用高导热石墨晶须作增强相，先在石墨晶须表面用化学镀或盐浴镀的方法镀覆一层铜或钼，然后通过SPS粉末冶金工艺与铜粉进行复合，制备出高性能石墨晶须增强铜基复合材料；

所用的增强相是高导热，低膨胀的石墨晶须，长径比在10-70之间，晶须表面镀覆厚度0.1-2μm的铜或钼；

所选的已镀覆石墨晶须与铜粉的体积比为30-60:70-40，复合前要在球磨机上混合，球磨机转速为110-150转/分钟，时间为1.5-3小时。

 

首先在石墨晶须进行表面金属镀覆，镀铜的主要工艺路线主要为：除油─粗化─敏化─活化─化学镀，镀液的组成：五水硫酸铜15g/L、甲醛5g/L、酒石酸钾钠14g/L、EDTA 19.5g/L 、氢氧化钠14.5g/L 、二联吡啶0.02g/L 、亚铁氰化钾0.01g/L。镀铜工艺条件：镀液pH为 12.0-12.5、 镀覆温度40-50℃、施镀时间2-15分钟。

镀钼的主要工艺路线为：除油─混粉─真空微蒸发镀。将除油后的石墨晶须与加有一定量仲钼酸铵的NaCl/KCl混合盐放入球磨机中混合30分钟，混合盐中NaCl与KCl的摩尔比是1:1，混合盐中仲钼酸铵的质量分数为10%。混合均匀后，将混合物在保护气氛下加热至900℃-1100℃，在石墨晶须表面形成钼层。

镀覆后的石墨晶须与不同粒度的铜粉按照一定的比例在球磨机上混合1.5-3小时，球磨机转速为110-150转/分钟，其中石墨晶须与铜粉的体积比为30-60:70-40，不同粒度铜粉可按质量比随意搭配。

       最后将混好的粉末放入石墨模具内，置于SPS烧结炉中，采用SPS粉末冶金工艺制备复合材料零件。烧结温度为820-980℃，压力为20-70MPa，保温时间2-5分钟。

本发明技术采用等离子体放电烧结法（SPS）制备石墨晶须增强铜基复合材料的制备方法。通过加入钼或铜的中间层，增加了晶须与铜的润湿性，改善了增强相与基体之间的界面状态，大大降低了界面热阻，特别是钼层的加入，使原本增强相与基体之间弱的机械结合变成化学结合。采用此法制备的石墨晶须/复合材料性能优异，其优点包括：

1)        具有良好的导热率，能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去； 

2)        可调控的热膨胀系数，与Si或GaAs等芯片材料相匹配，以避免芯片的热应力损坏；

3)        复合材料密度小，一定的强度和刚度；

4)        产品性能各项同性，易于加工，生产成本较低；

5)        对晶须表面进行金属镀覆处理，改善了增强相与基体之间的界面状态，使复合材料综合性能得到大大提高。

附图说明

图1为本工艺的流程图。