一種制備二維散熱用取向增強Cu復合材料的方法
【專利摘要】一種制備二維散熱用鱗片狀石墨與金剛石顆粒取向增強銅基復合材料的方法，屬于金屬基復合材料研究領域。鱗片狀石墨具有優異的二維散熱性能，金剛石顆粒也具有高的導熱率，將二者混合并使得石墨片在X-Y平面取向排列后，再與銅進行熔滲復合可以制備出在X-Y平面具有高導熱率的（鱗片狀石墨+金剛石顆粒）/Cu復合材料。本發明還在混合鱗片狀石墨與金剛石顆粒過程中加入一定粒度和含量的Cr粉末，Cr粉末在后期Cu的熔滲過程中能夠固熔到Cu液中，同時富集在金剛石顆粒和石墨片的表面并與金剛石顆粒和石墨片發生界面反應，使得界面由原來的機械結合變為化學冶金結合，從而大大降低界面熱阻。本發明所制備的復合材料導熱率在X-Y平面導熱率超過650W/mK，Z平面導熱率超過200W/mK。
【專利說明】一種制備二維散熱用取向增強Cu復合材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬基復合材料研究領域，發明了一種制備二維散熱用(鱗片狀石墨+金剛石顆粒)取向增強Cu復合材料的方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體精細化技術的發展,散熱結構已不再局限于使半導體放出的熱沿著一個方向傳遞、在另一端放熱。對于將熱量二維擴散、增大放熱面積等放熱結構的研究也得到了廣泛的重視。該結構具有散熱效率高、占用空間小、沿兩個方向均勻導熱，消除“熱點”區域等特點。不希望出現局部高溫的筆記本電腦、大功率LED照明、平板顯示器以及其他便攜式通訊設備對具備該結構散熱材料的需求尤為迫切。
[0003]石墨基增強體包括鱗片狀石墨、石墨纖維等具有優異的高導熱、低密度、易切削加工等性能，成為新一代電子封裝散熱材料理想的增強體材料。不過，較之于易團聚的石墨纖維，具有良好的自取向平行排列和易分散性的鱗片狀石墨為首選。采用壓制成形時，在增強體成形過程中鱗片狀面的法向量(Z方向)與壓力方向將保持基本一致，粉末的鱗片狀面(X-Y面)將垂直于壓力方向平行堆積排列，這樣可以充分利用鱗片石墨的取向性和X-Y面的高導熱性，實現熱量的在二維平面的傳輸。同時，作為電子封裝領域廣泛使用的一種散熱材料的銅具有導熱率高、價格便宜等特點，成為新型散熱材料基體金屬的不二之選。因此，將具有自取向排列的鱗片狀石墨粉末與銅復合形成復合材料，可以充分發揮二者優異的散熱性能，其二維導熱率理論值超過600W/mk，接近金剛石/Cu的導熱率。尤為重要的是，鱗片狀石墨易加工，所得復合材料加工性能好，能夠充分滿足工程化應用要求。因此，鱗片狀石墨粉末/銅復合材料是高性能電子裝備用最有發展前景的新一代散熱材料之一。
【發明內容】

[0004]本發明目的是針對新型散熱結構半導體器件對具有高導熱率、二維散熱結構的需求，充分利用鱗片狀石墨具有的二維散熱功能以及金剛石顆粒高的導熱率，選用銅作為基體金屬，將三者的優異性能有機結合，制備鱗片狀石墨和金剛石顆粒混合取向增強銅基復合材料。
[0005]一種制備二維散熱用取向增強Cu復合材料的方法，具體的內容為:先將一定比例的鱗片狀石墨、金剛石顆粒、Cr粉末進行混合，然后再與一定比例的固體石蠟進行混煉，混煉溫度60~80°C。鱗片狀石墨的質量與金剛石顆粒的質量和Cr粉末質量比例控制在(60-65)%:(30-35)%:(5-10)%范圍內。鱗片狀石墨的的平均粒徑為200~300 μ m，平均長徑比50~100，平均厚度3~5μπι ;金剛石顆粒的粒徑為10-15ym ;Cr粉末粒度為15-20 μ m。添加Cr粉末的主要目的是在后期熔滲過程中能夠融入到Cu基體，并且可以富集在金剛石顆粒的表面并與金剛石顆粒和石墨片發生界面反應，使得界面由原來的機械結合變為化學冶金結合，從而大大降低界面熱阻。
[0006]經過充分混煉得到均勻的混合料，然后破碎成平均粒徑2-3_的顆粒，進行壓制。壓制采用單向垂直壓制的方法，先將一定量的顆粒放入到壓制模具中，模具經過預熱，溫度為石蠟的軟化溫度68~80°C，使喂料在此溫度下具有良好的流動性，保證鱗片狀石墨在壓力作用下能夠充分偏轉，使得全部或近全部鱗片狀面沿著XY面平行排列，并垂直于加壓方向(Z方向)。壓制壓力為10~20MPa。
[0007]成形完畢后，再對經過取向成形的坯體進行成形劑脫除和預燒結。脫除成形劑和預燒結在氫氣氛中進行，具體燒結制度:從室溫到400°C的升溫速率為4_5°C /分鐘，溫度升至400°C后保溫30min，然后以10_15°C /分鐘速度升至800_85(TC (預燒結溫度)，預燒結階段的保溫時間為30-45分鐘。取向壓制坯體經過成形劑的脫除和預燒結，最終得到具有一定強度的多孔(鱗片狀石墨+金剛石)預成型坯體。
[0008]將多孔坯體置于熔滲模具中，進行預熱，采用加壓熔滲工藝將熔融態的Cu與坯體進行復合，得到(鱗片狀石墨+金剛石)取向增強的Cu基復合材料。坯體的預熱溫度控制在800-900°C范圍，熔融態Cu的澆注溫度為1200-1250°C，熔滲壓力為20_25MPa，保壓時間為20-30分鐘。
[0009]本發明的優點在于，在鱗片狀石墨中混入金剛石顆粒能夠有效避免鱗片狀石墨疊加在一起，阻礙后期銅的滲入，同時金剛石顆粒具有高的導熱率，能夠有效提高最終所制備復合材的整體導熱率。此外，在坯體中加入Cr粉末，能夠在后期Cu的熔滲過程中固熔到Cu液中，同時富集在金剛石顆粒和鱗片狀石墨的表面并與之發生反應，使得界面由原來的機械結合變為化學冶金結合，因此可以大大降低復合材料的界面熱阻，提高復合材料的導熱率。由于Cr粉末是直接混入到坯體中，避免了鹽浴、真空氣相沉積等復雜鍍覆工藝，因此大大降低了該材料的制備成本。采用熔滲工藝將多孔坯體與Cu進行復合，能夠有效克服現有采用粉末冶金壓制燒結難以全致密的工藝缺點。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0010]圖1為本發明的工藝流程圖。`【具體實施方式】:
[0011]實施例1:制備3cmX2cmX0.5cm規格的70vol% (鱗片狀石墨+金剛石)取向增強Cu復合材料
[0012](I)分別稱取2.8克鱗片狀石墨、1.4克金剛石粉末、0.3克Cr粉末進行混合，其中鱗片狀石墨的平均粒徑為200 μ m,平均長徑比70，平均厚度4 μ m，金剛石粉末的平均粒度10 μ m, Cr粉的平均粒度15 μ m ;
[0013](2)將混合后的粉末與0.8克石蠟進行混煉，混煉溫度70°C，混煉均勻后得到混合料，然將混合料破碎成2-3_的顆粒；
[0014](3)將顆粒裝入到3cmX2cm鋼模中，鋼模溫度保持在70°C，進行壓制，壓制壓力lOMPa，保壓時間15分鐘，顆粒經過熱壓取向得到取向坯體；
[0015](4)將坯體在氫氣氛中進行成形劑脫除和預燒結，升溫工藝為從室溫到400°C升溫速率為4°C /分鐘，溫度升至400°C后保溫30分鐘，然后以10°C /分鐘升至800°C，保溫30分鐘，得到具有一定強度的多孔(鱗片狀石墨+金剛石)預成型坯體；(5)將多孔坯體置入石墨熔滲模具中，預熱至800°C，然后將1200°C熔融的10克Cu液澆鑄到模具中，進行加壓，壓力為20MPa，保溫保壓時間20分鐘后進行降溫降壓，整個操作在真空環境下進行，最終得到70vol% (鱗片狀石墨+金剛石)取向增強Cu復合材料。對其進行導熱率測試，X-Y平面導熱率為655W/mK，Z平面導熱率超過205W/mK。
[0016]實施例2:制備5cmX2cmX0.8cm規格的75vol% (鱗片狀石墨+金剛石)取向增強Cu復合材料
[0017](I)分別稱取9克鱗片狀石墨、4.5克金剛石粉末、1.2克Cr粉末進行混合，其中鱗片狀石墨的平均粒徑為250 μ m,平均長徑比100，平均厚度5 μ m,金剛石粉末的平均粒度15 μ m，Cr粉的平均粒度20 μ m ;
[0018](2)將混合后的粉末與1.8克石蠟進行混煉，混煉溫度80°C，混煉均勻后得到混合料，然將混合料破碎成2-3_的顆粒；
[0019](3)將顆粒裝入到5cmX 2cm鋼模中，鋼模溫度保持在80°C，進行壓制，壓制壓力20MPa，保壓時間15分鐘，顆粒經過熱壓取向得到取向坯體；
[0020](4)將坯體在氫氣氛中進行成形劑脫除和預燒結，升溫工藝為從室溫到400°C升溫速率為5°C /分鐘，溫度升至400°C后保溫30分鐘，然后以10°C /分鐘升至800°C，保溫30分鐘，得到具有一定強度的多孔(鱗片狀石墨+金剛石)預成型坯體；(5)將多孔坯體置入石墨熔滲模具中，預熱至900°C，然后將1200°C熔融的20克Cu液澆鑄到模具中，進行加壓，壓力為25MPa，保溫保壓時間20分鐘后進行降溫降壓，整個操作在真空環境下進行，最終得到75vol% (鱗片狀石墨+金剛石)取向增強Cu復合材料。對其進行導熱率測試，X-Y平面導熱率為690W/mK，Z平面導熱率 超過212W/mK。
【權利要求】
1.一種制備二維散熱用取向增強Cu復合材料的方法，其特征在于:將一定比例和粒度的鱗片狀石墨與金剛石顆粒、Cr粉末混合后再與具有流動性的成形劑充分混合，壓制成形，壓制過程中石墨片完成取向排列，得到含有成形劑的預成形毛坯，然后將成形劑脫除，并進行預燒結，得到近全開孔、鱗片狀石墨充分取向排列、具有一定強度的預成形坯體；將多孔坯體置于熔滲模具中，進行預熱，然后再通過加壓熔滲工藝將熔融態的Cu與坯體進行復合，最終得到鱗片狀石墨+金剛石取向增強的Cu基復合材料；其中鱗片狀石墨的質量與金剛石顆粒的質量和Cr粉末質量比例控制在(60-65)%:(30-35)%:(5-10)%范圍內，鱗片狀石墨的的平均粒徑為200~300 μ m，平均長徑比50~100，平均厚度3~5μπι ;金剛石顆粒的粒徑為10-15 μ m ；Cr粉末粒度為15-20 μ m。
2.按照權利要求1所述的制備二維散熱用取向增強Cu復合材料的方法，其特征在于:成形劑采用固態石蠟，將混合粉末與固體石蠟按體積比70%:30%進行混煉，混煉溫度60~80°C;經過充分混煉均勻得到的混合料，然后破碎成平均粒徑2-3_的顆粒裝入模具進行壓制；壓制采用單向垂直壓制的方法，模具經過預熱，預熱溫度為68~80°C，壓制壓力10~20MPa，混合料在模具中保溫保壓時間15-20分鐘。
3.按照權利要求1所述的制備二維散熱用取向增強Cu復合材料的方法，其特征在于:壓制坯體在氫氣氛中進行成形劑的脫除和預燒結，脫除階段從室溫到400°C的升溫速率為4-50C /分鐘，預燒階段的燒結溫度為800-850°C，保壓時間為30-45分鐘。
4.按照權利要求1所述的制備二維散熱用取向增強Cu復合材料的方法，其特征在于:壓力熔滲銅時， 坯體的預熱溫度控制在800-900°C范圍，熔融態Cu的澆注溫度為1200-1250°C，熔滲壓力為20-25MPa，保溫時間為20-30分鐘，整個操作在真空環境下進行。
【文檔編號】C22C9/00GK103589894SQ201310590655
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】任淑彬, 許慧, 劉謙, 何新波, 曲選輝 申請人:北京科技大學