[发明专利]一种半固态连轧制备大规格金刚石/铜复合板的方法

说明书

技术领域

本发明属于半固态成形技术领域，具体涉及一种半固态连轧制备大规格金刚石/铜复合板的方法。

背景技术

随着集成电路电子元器件集成度提高，功能要求越来越多，体积要求越来越小，元器件在高速度运行下会产生大量的热，这些热量必须立即散发出去以保证元器件能在正常工作温度下以最高效率运行。因此散热问题成为众多工程师必须要面对的严峻挑战，高导热材料制备及加工已成为集成电路行业需要迫切解决的技术瓶颈。

金刚石是已知自然界中导热率最高的材料，单晶的金刚石导热率最高可达到2000W/(m·K)，而且金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，还具有非磁性、不良导电性，因此金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力，但金刚石最大的弱点是难以加工，目前工程运用的大都是金刚石颗粒。铜是人类发现最早的金属之一，是人类广泛使用的第一种金属，铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，又有光泽，容易加工，是工业领域最重要的工程材料之一，其导热率可以达到400W/(m·K)，在电子电器工业中应用最广、用量最大。铜加工后用于各种电缆和导线，电机和变压器，开关以及印刷线路板的制造中。将金属铜与金刚石进行复合，可以获得拥有较高热导率的金属基复合材料，这对于电子封装领域具有重要的应用价值。

传统的金刚石/铜复合材料的制备工艺主要有：复合电沉积法、挤压铸造法和粉末冶金法等。

复合电沉积法：复合电沉积法通常是通过电镀的方法，将一种或数种不溶性固体颗粒与金属镀层共沉积至金刚石基体表面，从而形成在金属镀层中均匀分布固相颗粒的一种特殊镀层。利用这种方法制备复合材料致密度较低，使用性能不好，并且生产规格和生产批量都受生产设备的限制，不适合大批量生产，由于设备投资较高，使得生产成本也相应提高。

挤压铸造法：挤压铸造是一种使液态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术。这种生产方法由于接近于净终成形，因此对于生产过程的控制要求较高，相应的成材率就降低了，并且由于是在高温下加工，这就造成了材料氧化严重、生产成本高、疏松气泡严重、产品合格率低等缺点。

粉末冶金法：粉末冶金法的主要工艺过程包括：配制复合材料粉末；复合粉末压制成预制坯；预制坯烧结。这种方法生产过程复杂、工艺设备要求高，只能进行单个加工，而且在高温下烧结会导致金刚石颗粒石墨化严重，影响复合材料的组织和性能。

除上述方法外，还有一些在上述方法上改进的其他技术，但都存在高温、高压、效率低、热导率低、制备成本高、制品尺寸小、不能连续制备、所制备的复合材料气密性差等共性问题。

同时现有技术中申请号为200910073746.4的“金属与金刚石复合体的制造方法”的发明专利，利用的是平辊轧制，而平辊轧制不能保证轧件在宽度方向上变形的均匀性，同时也不能避免轧件焊接部分的开裂情况，并且单根包覆管不能保证轧后复合体材料成分和性能的均匀性，同时在轧制后要进行高温烧结，且单道次轧制生产的产品是小尺寸复合板。

发明内容

为了提高金刚石/铜复合板的热导率及生产效率，本发明提供一种半固态连轧的方法，该方法通过半固态轧制，可以提高金刚石颗粒与铜的结合强度，增强复合板的致密度，从而提高金刚石/铜复合板的导热性能，并且工艺过程简单，生产设备要求低，可以连续轧制成形大规格金刚石/铜复合材料，适于低成本大规模制备高导热材料。

一种半固态连轧制备大规格金刚石/铜复合板的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将金刚石颗粒表面镀上一层铜，然后与一定体积分数的CuZn31Al2铜合金粉末均匀混合，将混合后的金刚石/铜合金颗粒装入薄壁纯铜细管内，并且将铜管的两头封口；

(2)将装有金刚石/铜合金颗粒的细铜管集成一束并装入到大口径的薄壁圆铜管中形成圆柱形预制体；

(3)将预制体在压力机上压成椭圆体后加热到铜合金CuZn31Al2的半固态温度；

(4)将半固态加热后的椭圆体进行连轧，轧制后进行去应力退火制成高导热金刚石/铜复合板；

进一步地，所述步骤(1)中薄壁纯铜细管外径为2.5-3.5mm、内径为1.5-3mm；

进一步地，所述步骤(2)中大口径薄壁圆铜管外径为15-20mm、内径为14-19mm；

进一步地，所述步骤(3)中进行的半固态加热，加热温度为950-970℃；

进一步地，所述步骤(4)中进行的去应力退火，退火温度为260-400℃；

进一步地，所述高导热金刚石/铜复合板的金刚石颗粒体积分数为55-65％。