[发明专利]一种金刚石/铜复合材料及其制备方法

说明书

一种金刚石/铜复合材料，包括自下而上依次设置的金刚石颗粒/铜复合底层，至少一个碳纤维区，金刚石颗粒/铜复合顶层；碳纤维区包括自下而上依次设置的第一碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层、金刚石颗粒/铜复合中间层、第二碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层，金刚石颗粒平均直径控制在30μm～100μm，碳纤维的直径控制在3um～10um；对不同层金刚石颗粒/铜复合层厚度以及碳纤维的排布结构进行控制。本发明利用碳纤维长向低膨胀的特点(‑0.4～0.7ppm/K)，在不降低复合材料导热率的前提下，减小了其膨胀系数。制备的材料可以广泛应用于高功率电子元器件的芯片和激光器热沉。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种低膨胀金刚石/铜复合材料及其制备方法。

背景技术

先进装备的发展对电子器件提出的高功率化和小型化要求，不可避免地造成了器件更高的热点温度，从而提升了器件散热的技术指标。国外权威机构的统计数据表明，电子元器件失效的案例中，55％与散热问题有关。对于芯片用热沉材料来说，其导热率越高越好，膨胀系数与芯片材料越匹配越好，芯片用SiC、GaN、GaAs的膨胀系数约为4.5～5.5ppm/K。金刚石/铜复合材料作为当前最先进和最具性价比的高导热低膨胀材料，已经开始应用于高功率芯片、激光器等器件的封装。通过提升金刚石/铜复合材料中金刚石的粒径和体积分数，可以增大材料的导热率和降低膨胀系数，但是金刚石的粒径和体积分数的增大会导致材料的成本上升，精密加工成形能力降低，缺陷率增高。并且金刚石/铜复合材料中的金刚石体积分数并不能一味的增大，理论上其体积分数只能达到70％左右，实际生产过程中一般控制在65％左右。

目前金刚石/铜复合材料的导热率基本可以达到500～800W/mK的水平，而材料的平均热膨胀系数在室温至100℃区间约为6.5～7.0ppm/K，在室温至200℃区间约为7.0～7.5ppm/K，在室温至300℃区间约为7.5～8.0ppm/K，室温至200℃区间约为8.0～9.0ppm/K。而相比之下芯片用SiC、GaN、GaAs的平均热膨胀系数在室温至100℃区间约为5ppm/K，并且随着温度的升高变化不大。可见，如能进一步降低金刚石/铜复合材料的膨胀系数，则可大幅降低热应力，提升热沉和芯片之间的匹配性，从而提高器件的使用寿命，改善装备性能。如上文所述，目前几乎已经不能从增大复合材料中金刚石的体积分数来降低其膨胀系数，因此亟需寻找一种在不降低复合材料导热率的前提下，可以进一步减小膨胀系数的方法。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种低膨胀金刚石/铜复合材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种金刚石/铜复合材料，其特征在于，所述复合材料包括自下而上依次设置的金刚石颗粒/铜复合底层，至少一个碳纤维区，金刚石颗粒/铜复合顶层；所述碳纤维区包括自下而上依次设置的第一碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层、金刚石颗粒/铜复合中间层、第二碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层，所述金刚石颗粒平均直径控制在30μm～100μm，碳纤维的直径控制在3um～10um；所述金刚石颗粒/铜复合底层的厚度和金刚石颗粒/铜复合顶层的厚度均应控制在1～3mm。底层和顶层厚度较薄时，可能导致后续加工过程中碳纤维露出；底层和顶层厚度较厚时，可能导致碳纤维对材料膨胀系数的降低作用变弱。所述金刚石颗粒/铜复合中间层厚度应控制在0.5～1.5mm，中间层厚度较薄时，可能导致两层碳纤维接触，产生材料缺陷；中间层厚度较厚时，可能导致碳纤维对材料膨胀系数的降低作用变弱；在碳纤维区，所述第一碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层内的多根碳纤维和第二碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层内的多根碳纤维均平行分布，并且所述第一碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层内的碳纤维和第二碳纤维/金刚石颗粒/铜复合层内的碳纤维互相垂直。

一种金刚石/铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用磁控溅射在金刚石颗粒表面制备厚度为0.1um～1.0um厚的单质元素过渡层，随后采用真空热处理使单质元素过渡层转变为碳化物层；