[发明专利]一种电子封装用石墨片/Cu基复合材料的制备方法

说明书

一种电子封装用石墨片/Cu基复合材料的制备方法，制备步骤：采用平均直径D50为40‑100μm，厚度为100‑200nm的大径厚比石墨片在无水乙醇中超声分散，添加平均粒径为50‑100um的Cu粉，石墨片与Cu粉的质量比为（1‑5）：(99‑95)，采用机械搅拌方式混料，在60‑80℃下恒温干燥，300‑600MPa单向压制，99.99vol%高纯H₂气氛保护，700‑1000℃保温1‑2h常压烧结，最后采用多道次冷轧+退火处理工艺获得近完全致密化的石墨片/Cu基复合材料。采用上述工艺制备的1‑5wt%石墨片/Cu基复合材料中的石墨片平直，综合性能优异，可用作高性能电子封装热沉材料。

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法，具体地说是一种电子封装用石墨片/Cu基复合材料的制备方法，属于新材料及其制备工艺技术领域。

背景技术

石墨片/Cu基复合材料综合了Cu的高导电、高导热性能和石墨片低膨胀特性，可望成为一种理想的新型电子封装热沉材料，满足超大规模集成电路及电力电子器件发展对封装材料高热耗散、与半导体和陶瓷基板低热膨胀系数失配及高可靠性的性能需求。但该金属基复合材料的开发利用需要解决：1)石墨片与Cu粉混合不均，石墨片在Cu基体内部弯折、团聚，导致复合材料热导率、机械强度及抑制复合材料热膨胀的能力严重下降；2)复合材料致密化等的关键技术问题。

通常应用的石墨材料包括天然鳞片石墨、石墨烯及大径厚比石墨片等。天然石墨片的尺寸最大，脆性也最大，各向异性显著，导致复合材料的强度大大下降，难以满足材料加工、安装的基本要求。专利CN106521230A采用天然鳞片石墨制备的石墨鳞片/Cu复合材料虽然在X-Y方向热导率比较高，但在Z轴方向的热导率低于50 W· (m·K)^-1。石墨烯虽然各项性能优异，但在金属基体中容易团聚，难以分散均匀，且石墨烯的热增强效果差，成本高，目前，还不具备用于制备电子封装热沉材料的前景。大径厚比石墨片几何尺寸介于石墨烯及天然鳞片石墨之间，与石墨烯相比，成本极低，在金属基体中易于分散，团聚程度大幅降低，可实现较大含量的添加。Mazloum等采用常压烧结法制备了石墨/Cu基复合材料的致密度比较低，难以致密化，而且制备周期长，效率低（Copper-graphite composites: thermalexpansion, thermal and electrical conductivities, and cross-propertyconnections [J]. J. Mater. Sci., 2016, 51(17): 7977-7990.）。与天然鳞片石墨相比，大径厚比石墨片保持在片层内较高的热导率，且机械强度较高，石墨片/Cu基复合材料的力学性能较高，综合性能得到显著提升。因此，石墨片/Cu基复合材料，相对于天然鳞片石墨（石墨烯）/Cu基复合材料，具有更高的性价比和更好的应用前景。

目前，常见的Cu基复合材料制备方法主要有：热压固结法、挤压铸造法、真空压力浸渍法、粉末冶金法等。由于热压固结法、挤压铸造法、真空压力浸渍法制备工艺复杂，对设备要求高，成本高昂，难以批量生产；挤压铸造法还因为制备过程中要施加的较大压力，难以生产形状复杂和壁薄的复合材料，易出现氧化夹杂物、孔洞、气泡；真空压力浸渍法还因为需要以第二相增强体作为骨架，不适合于中低含量增强体的复合材料制备等缺点，进一步制约了其在电子封装复合材料制备中的应用。粉末冶金法具有：1) 烧结温度低，可有效降低复合材料体系中的界面扩散与反应；2) 易于实现增强体含量的连续变化，实现增强体在基体中均匀分布，提高材料结构与性能的一致性；3) 工艺简单易行，成本较低等优点，因此，成为制备石墨片/Cu基复合材料优选的工艺。但是，粉末冶金难以实现石墨片/Cu基复合材料的完全致密化，本发明采用常压烧结石墨片/Cu基复合材料坯体多道次轧制工艺使该复合材料接近完全致密，同时，改善石墨片在Cu基体中的分布状态，冷轧后的坯体再经过退火处理消除复合材料内部的残余应力、消除组织畸变，优化复合材料的显微组织结构，提高复合材料性能。