[发明专利]一种制备二维散热用取向增强Cu复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料研究领域，发明了一种制备二维散热用（鳞片状石墨+金刚石颗粒）取向增强Cu复合材料的方法。

背景技术

随着半导体精细化技术的发展，散热结构已不再局限于使半导体放出的热沿着一个方向传递、在另一端放热。对于将热量二维扩散、增大放热面积等放热结构的研究也得到了广泛的重视。该结构具有散热效率高、占用空间小、沿两个方向均匀导热，消除“热点”区域等特点。不希望出现局部高温的笔记本电脑、大功率LED照明、平板显示器以及其他便携式通讯设备对具备该结构散热材料的需求尤为迫切。

石墨基增强体包括鳞片状石墨、石墨纤维等具有优异的高导热、低密度、易切削加工等性能，成为新一代电子封装散热材料理想的增强体材料。不过，较之于易团聚的石墨纤维，具有良好的自取向平行排列和易分散性的鳞片状石墨为首选。采用压制成形时，在增强体成形过程中鳞片状面的法向量（Z方向）与压力方向将保持基本一致，粉末的鳞片状面（X-Y面）将垂直于压力方向平行堆积排列，这样可以充分利用鳞片石墨的取向性和X-Y面的高导热性，实现热量的在二维平面的传输。同时，作为电子封装领域广泛使用的一种散热材料的铜具有导热率高、价格便宜等特点，成为新型散热材料基体金属的不二之选。因此，将具有自取向排列的鳞片状石墨粉末与铜复合形成复合材料，可以充分发挥二者优异的散热性能，其二维导热率理论值超过600W/mk，接近金刚石/Cu的导热率。尤为重要的是，鳞片状石墨易加工，所得复合材料加工性能好，能够充分满足工程化应用要求。因此，鳞片状石墨粉末/铜复合材料是高性能电子装备用最有发展前景的新一代散热材料之一。

发明内容

本发明目的是针对新型散热结构半导体器件对具有高导热率、二维散热结构的需求，充分利用鳞片状石墨具有的二维散热功能以及金刚石颗粒高的导热率，选用铜作为基体金属，将三者的优异性能有机结合，制备鳞片状石墨和金刚石颗粒混合取向增强铜基复合材料。

一种制备二维散热用取向增强Cu复合材料的方法，具体的内容为：先将一定比例的鳞片状石墨、金刚石颗粒、Cr粉末进行混合，然后再与一定比例的固体石蜡进行混炼，混炼温度60～80℃。鳞片状石墨的质量与金刚石颗粒的质量和Cr粉末质量比例控制在（60-65）%：（30-35）%：（5-10）%范围内。鳞片状石墨的的平均粒径为200～300μm，平均长径比50～100，平均厚度3～5μm；金刚石颗粒的粒径为10-15μm；Cr粉末粒度为15-20μm。添加Cr粉末的主要目的是在后期熔渗过程中能够融入到Cu基体，并且可以富集在金刚石颗粒的表面并与金刚石颗粒和石墨片发生界面反应，使得界面由原来的机械结合变为化学冶金结合，从而大大降低界面热阻。

经过充分混炼得到均匀的混合料，然后破碎成平均粒径2-3mm的颗粒，进行压制。压制采用单向垂直压制的方法，先将一定量的颗粒放入到压制模具中，模具经过预热，温度为石蜡的软化温度68～80℃，使喂料在此温度下具有良好的流动性，保证鳞片状石墨在压力作用下能够充分偏转，使得全部或近全部鳞片状面沿着XY面平行排列，并垂直于加压方向（Z方向）。压制压力为10～20MPa。

成形完毕后，再对经过取向成形的坯体进行成形剂脱除和预烧结。脱除成形剂和预烧结在氢气氛中进行，具体烧结制度：从室温到400℃的升温速率为4-5℃/分钟，温度升至400℃后保温30min，然后以10-15℃/分钟速度升至800-850℃（预烧结温度），预烧结阶段的保温时间为30-45分钟。取向压制坯体经过成形剂的脱除和预烧结，最终得到具有一定强度的多孔（鳞片状石墨+金刚石）预成型坯体。

将多孔坯体置于熔渗模具中，进行预热，采用加压熔渗工艺将熔融态的Cu与坯体进行复合，得到（鳞片状石墨+金刚石）取向增强的Cu基复合材料。坯体的预热温度控制在800-900℃范围，熔融态Cu的浇注温度为1200-1250℃，熔渗压力为20-25MPa,保压时间为20-30分钟。