[发明专利]一种低成本的高导热金刚石铜复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种工艺简单、低成本的高导热金刚石铜复合材料的制备方法，具体步骤是：1.对金刚石颗粒进行超声清洗，然后将其在氢氧化钠溶液中浸泡，进行表面粗化处理。2.将金刚石颗粒、锆粉、铜粉按一定的体积比混合均匀，其中，金刚石颗粒：49～51Vol％；锆粉：2.5～3.5Vol％；余量为铜粉；之后将混合粉末装入石墨模具中。3.将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子体烧结炉中，在900～950℃进行热压烧结。4.将烧结体表面用丙酮清洗以除去杂质，得到金刚石铜复合材料。所制备复合材料的导热系数可达583～605W/(m·K)，其制备工艺简单、成本低、性能稳定，可用于高导热金刚石铜复合材料的工业化生产。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种工艺简单、低成本的高导热金刚石铜复合材料的制备方法。

背景技术

随着集成电路芯片向大功率、高集成度方向发展，传统电子封装材料的散热性能已不能满足当前需求。发展一种具备高导热系数(＞500W/(m·K))、较低膨胀系数(与芯片相匹配)的新型电子封装散热材料已受到广泛关注。金刚石在自然界中具有最高的导热系数(1200～2000W/(m·K))和很低的热膨胀系数(2.3×10^-6/K)，而铜比铝、镁等金属的导热系数更高、热膨胀系数更低，因此将金刚石颗粒与铜基体复合，所制备的金刚石铜复合材料有望获得高导热、低膨胀的优异性能，在电子封装材料领域具有重要的应用前景。

目前，金刚石铜复合材料的主要制备方法之一为粉末冶金法，也即将金刚石颗粒与铜粉混合，再热压烧结。然而，由于金刚石与铜之间无化学亲和力，其界面仅为机械结合，所得复合材料的导热系数很低。目前，解决此问题的主要方法是：①金刚石颗粒表面金属化：在金刚石颗粒表面镀覆Ti、Cr、Zr等碳化物形成元素，形成表层金属碳化物，再与纯铜粉进行热压烧结，可实现金刚石与铜基体的冶金结合。②铜基体合金化：通过液态喷吹雾化的方法制得含有Ti、Cr、Zr等元素的铜合金粉，再将其与裸料金刚石颗粒进行热压烧结。由于这些元素在高温下向金刚石颗粒表面扩散而形成碳化物，最终可实现金刚石与铜基体的冶金结合。

已有众多研究者采用金刚石颗粒表面金属化的方法制备了金刚石铜复合材料。GAN Zuo-teng对金刚石颗粒进行盐浴镀铬，再将镀铬金刚石颗粒与纯铜粉进行放电等离子烧结(SPS)，所得复合材料的导热系数为504W/(m·K)(GAN Zuo-teng,Research ondiamond/Cu composites fabricated by spark plasma sintering,Materials ScienceEngineering of Powder Metallurgy,2010,15(1):59-63)。盐浴镀本身的工艺复杂，其镀层厚度和表面质量的控制较为困难，因而影响对界面热阻的调控，这可能是其导热系数偏低的主要原因。Wang Yunlong采用真空气相沉积法在金刚石表面镀钛，再将镀钛金刚石颗粒与纯铜粉进行SPS烧结，所得复合材料的导热系数为446W/(m·K)(Wang Yunlong,Structure and Thermal Properties of Layered Ti-clad Diamond/Cu CompositesPrepared by SPS and HP,Rare Metal Materials and Engineering,2018,47(7):2011-2016)。真空气相沉积的设备成本高、镀层与金刚石之间的界面反应和结合力通常难以有效控制，尤其在金刚石颗粒相互接触处极易出现漏镀现象，这可能是其导热系数明显偏低的原因。