[发明专利]一种金刚石导热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金刚石导热复合材料领域。具体地，本发明涉及一种金刚石导热复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子工业的飞速发展，电子封装、组装的高密度、高速度化集成电路对封装材料的性能提出了更为严格的要求。目前，各种新型封装材料己成为各国竞相研发的热点。新型微电子封装材料不仅要有高的导热率,而且还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数。金刚石是自然界中导热率最高的已知物质，高品质单晶金刚石的导热率可达到2000W/(m·K)，且室温下金刚石是绝缘体，还具有介电常数低、热膨胀系数低等特点，但单一的金刚石不易制作成封装材料，且生产成本很高。较理想的是将其做成金属基复合材料。

金属铜具有优良的导电性能和高的导热性能，它的热膨胀系数(CTE)为17×10^-6K，导热率(TC)为400W/(m·K)，将金刚石与铜复合形成金刚石/铜复合材料，通过调节金刚石体积分数实现高热导和可调热膨胀，完全满足热管理材料的要求。

然而金刚石-铜复合材料的制备难点在于：金刚石与铜的润湿性极差。在1150℃下金刚石与铜的浸润角为145°，它们之间高温没有固相反应发生，金刚石与铜难以烧结出致密的复合材料。人们为了增加金刚石颗粒与铜的界面结合性，通常采用是在金刚石颗粒表面镀铜，或沉积金属碳化物薄膜方式来完成，而最终形成的界面仍为面-面接触的二维界面结构，界面强度等性能仍有欠缺。

因此，本领域急需研发一种界面强度强、热性能优异的金刚石与金属的复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种界面强度强、热性能优异的金刚石与金属的复合材料。

本发明的另一目的是提供一种操作简便的上述复合材料的制备方法。

在本发明第一方面中，提供了一种高热导性能的金刚石-金属复合材料，所述的复合材料包括金属基体以及分布于所述基体内部和/或表面的金刚石颗粒，其中至少部分或全部所述金刚石颗粒通过纳米晶须结合于所述金属基体。

在另一优选例中，所述的结合为化学键结合。

在另一优选例中，所述的纳米晶须为硼纳米晶须或氮化硼纳米晶须。

在另一优选例中，所述的高导热性能的金刚石-金属复合材料具有如下一种或多种特征：

(a)密度为6-8.5g/cm³；和/或

(b)导热率≥400W/m·K；和/或

(c)热膨胀系数≤15μm/m·K。

在另一优选例中，所述的纳米晶须具有如下特征：(i)直径为1-5000nm；和/或(ii)长度为0.1–300μm；和/或(iii)在金刚石颗粒表面的密度为1–10000个/μm²。

在另一优选例中，所述的金刚石颗粒的粒径为0.1-1000μm。

在另一优选例中，所述金刚石颗粒的粒径为10μm-400μm；更佳地为50μm-350μm。

在另一优选例中，所述的金属基体包括：铜、铝、银、或它们的合金。

在另一优选例中，所述的金刚石-金属复合材料按如下方法制得：

(1)在金刚石颗粒表面原位生长纳米晶须，从而形成金刚石－纳米晶须复合体；以及

(2)将步骤(1)的金刚石－纳米晶须复合体与金属基体进行烧结处理，从而形成所述的金刚石-金属复合材料。

在本发明的第二方面中，提供了一种金刚石-金属复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)在金刚石颗粒表面原位生长纳米晶须，从而形成金刚石－纳米晶须复合体；以及

(2)将步骤(1)的金刚石－纳米晶须复合体与金属基体进行烧结处理，从而形成本发明第一方面所述的金刚石-金属复合材料。

在另一优选例中，所述的金属基体包括：铜、铝、银、或它们的合金；和/或所述的纳米晶须为硼纳米晶须或氮化硼纳米晶须。

在另一优选例中，所述的金属基体为粉末状的。

在另一优选例中，在步骤(2)中，按金刚石－纳米晶须复合体与金属基体的总重量计算，金属基体的质量分数为10–90%。

在另一优选例中，所述步骤(1)包括步骤：

(1.1)提供包含金刚石颗粒、硼原料和金属催化剂的混合物；

(1.2)在真空中、或在氢气、氩气、或其组合气体的还原性气氛或惰性气氛中，将步骤(1.1)的混合物进行加热反应，从而形成金刚石－硼纳米晶须复合体；以及