[发明专利]铝硅/铝金刚石梯度复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料及其制备方法。本发明所述的铝硅/铝金刚石梯度复合材料是由至少一铝硅合金层与至少一铝金刚石复合材料层构成的梯度复合材料；其中，按重量百分比计，所述铝硅合金层含有硅22～50％，余量为铝；按体积百分比计，所述铝金刚石复合材料层含有金刚石40～60％，余量为铝或铝合金。本发明的铝硅/铝金刚石梯度复合材料具有热导率高、密度小、性能可调控、容易加工、成本低廉的优点，具备良好综合性能，能够满足电子封装的各项指标要求，尤其适用于作为电子封装材料。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，特别是涉及一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料及其制备方法。

背景技术

电子封装材料是用于承载电子器件及其相互联线，起机械支撑、密封环境保护、信号传递、散热和屏蔽等作用的基体材料。电子封装材料的种类很多，传统的金属基或陶瓷电子封装材料主要包括Cu、Al、Ti、Kovar、W/Cu、Mo/Cu、Al/SiC、Al₂O₃、AlN等。随着现代电子系统向小型化、轻量化、高工作频率、高功率密度、多功能和高可靠性等方向发展，传统的电子封装材料在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法胜任。

研究表明，电子器件的失效率随着工作温度的上升而急剧增大：基本上工作温度每提高10℃，GaAs或Si半导体器件的寿命将下降三分之一。电子器件的散热和冷却通常采用热沉、散热器和电子封装材料实现。研究和开发具有高热导率和良好综合性能的电子封装材料和构件成为电子封装领域的一项关键技术并影响电子工业的发展。

金属基复合材料将金属基体良好的导热和塑性变形性能以及增强体较低的热膨胀系数和较高的强度有机地结合起来，获得热导率和热膨胀系数等性能在很大范围内可控的电子封装材料，从而实现与各种芯片和基板材料的封装。因此，开发新的金属基复合材料有望可以满足日益提高的电子封装要求。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料，其具有热导率高、密度小、性能可调控、容易加工、成本低廉的优点。

本发明采取的技术方案如下：

一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料，是由至少一铝硅合金层与至少一铝金刚石复合材料层构成的梯度复合材料；其中，按重量百分比计，所述铝硅合金层含有硅22～50％，余量为铝；按体积百分比计，所述铝金刚石复合材料层含有金刚石40～60％，余量为铝或铝合金。

其中，铝硅合金由铝基体(Al)和硅相(Si)组成，也称为Al/Sip复合材料，综合了铝基体和硅相的良好性能，具有热导率较高、热膨胀系数可控、比强度高、密度小(<2.7g/cm³)、易于加工和镀覆等特点，且硅和铝在地壳中的含量分别为27.7％和8.1％，含量十分丰富，所以铝硅合金的成本低廉，并对环境无污染，对人体无害，方便回收再利用。由此，铝硅合金能够满足现代电子封装对材料力学、热物理和工艺性能的要求，在航空、航天、电子、通信等领域应用前景广阔。

金刚石是除石墨烯以外热导率最高的固体物质，热导率约为600-2000W/m·K，还具有电绝缘性良好、化学性质稳定等优点，而且其热膨胀系数很低(仅为1～2ppm/K)，与Si、GaAs等电子材料相接近。此外，人造金刚石制造技术越来越成熟，金刚石大量应用于金刚石工具的工业制造，故金刚石的使用成本大大降低。而铝金刚石复合材料由于具有很高的理论热导率(≥500W/m·K)，因此在电子封装领域具有重大应用前景。

虽然铝硅合金具有良好的综合性能，但其热导率受到铝基体和硅相的限制，最高热导率小于纯铝的热导率237W/m·K；虽然铝金刚石具有很高的热导率，但是其加工性能差，严重阻碍其在电阻封装方面的推广应用。