專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子封裝材料技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料及其 制備方法。
背景技術(shù)：
電子封裝趨于小型化而使芯片集成度迅速增加，導(dǎo)致發(fā)熱量提高，電路工作
溫度不斷上升。純銅的熱導(dǎo)率為401 W/nrK，熱膨脹系數(shù)高達(dá)16.5xl(T6/K，因此 為了利用銅如此高的導(dǎo)熱率，又避免在應(yīng)用過(guò)程中過(guò)大熱膨脹系數(shù)造成的熱應(yīng) 力， 一種方法是通常在銅中加入熱膨脹系數(shù)較小的W、Mo和低膨脹合金(如FeNi 合金)等粉末，即為現(xiàn)在電子封裝材料領(lǐng)域常用的W/Cu、 Mo/Cu和Invar/Cu材 料。此類(lèi)銅基復(fù)合材料的具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，同時(shí)具有W、 Mo的低膨脹性 能，但是在電子封裝日趨小型化、輕質(zhì)化的今天，此類(lèi)材料的密度太大，增加了 封裝質(zhì)量，并且氣密性差，影響封裝性能。
另一種方法是銅基復(fù)合材料可以采用低密度、高熱導(dǎo)、低膨脹的無(wú)機(jī)材料作 為增強(qiáng)體。此類(lèi)銅基復(fù)合材料既具有金屬特有的良好延展性與導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，又 具有陶瓷的低膨脹、低密度性能，用于功率器件封裝的底座、IC封裝的外殼、熱 沉或散熱基板及LED熱沉或散熱基板等，此類(lèi)材料的需求頗為巨大，市場(chǎng)前景 廣闊。此類(lèi)銅基復(fù)合材料在應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題就是難加工，難制備出薄壁、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜器件，而現(xiàn)有的制備方法主要有粉末冶金法或在增強(qiáng)體顆粒中直接熔滲 金屬法，這些制備方法都不可避免的面臨以上的問(wèn)題。因此，為了使這種性能優(yōu) 異的銅基復(fù)合材料得到推廣應(yīng)用，綜合考慮后續(xù)加工問(wèn)題，尋找一種可以實(shí)現(xiàn)近 凈成形，減少后續(xù)加工的制備方法顯得優(yōu)為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，特別提出了一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料及 其制備方法。
本發(fā)明技術(shù)方案如下
一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，該復(fù)合材料由增強(qiáng)體和粘結(jié)劑經(jīng)預(yù)制件的注射成
形工藝，制成增強(qiáng)體預(yù)制件，其中增強(qiáng)體顆粒的尺寸為7 60tim，由碳化硅顆 粒、金剛石顆?；虻X顆粒中的一種或兩種組成；將銅基體直接放在該增強(qiáng)體 預(yù)制件上，其中銅基體為電解銅或無(wú)氧銅，增強(qiáng)體與銅基體的體積比為50-75%: 25-50%，經(jīng)壓力浸滲工藝制成。
所述粘結(jié)劑為石蠟基粘結(jié)劑，且增強(qiáng)體和石蠟基粘結(jié)劑的體積比為50-75%: 25-50%。
所述金剛石顆粒為未鍍覆顆?；蝈冣仭~、鎢或鉬的金屬層顆粒。 一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料的制備方法，該制備方法包括如下步驟
(1) 預(yù)制件的注射成形工藝
a、 將增強(qiáng)體顆粒和石蠟基粘結(jié)劑按照體積比為50-75%: 25-50%進(jìn)行配制， 并在120-15(TC下混煉機(jī)上混料0.5-1小時(shí)，冷卻后破碎成粉末，其中增強(qiáng)體顆 粒尺寸為7 60um，由碳化硅顆粒、金剛石顆粒或氮化鋁顆粒中的一種或兩種 組成，所述金剛石顆粒為未鍍覆顆粒或鍍鈦、銅、鎢或鉬的金屬層顆粒；
b、 將該粉末在注射成形機(jī)上制備出預(yù)制件坯體；
c、 將該預(yù)制件坯體在汽油中浸泡至少24小時(shí)后，進(jìn)行粘結(jié)劑的萃取脫脂， 自然風(fēng)干；
d、 將風(fēng)干后的預(yù)制件坯在900-120(TC的氫氣氣氛下進(jìn)行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)；
(2) 壓力浸滲工藝
a、將預(yù)制件放入石墨模具中，銅基體直接放在增強(qiáng)體預(yù)制件上，其中銅基 體為電解銅或無(wú)氧銅，且增強(qiáng)體與銅基體的體積比為50-75%: 25-50%;
b、 放入真空壓力熔滲爐中，抽真空，同時(shí)升溫；
c、 真空壓力爐真空度達(dá)到O.Ol-lPa，溫度升至1100-120(TC時(shí)開(kāi)始?jí)簼B金 屬銅基體；
d、 爐冷，退模。
本發(fā)明的有益效果
(1) 本發(fā)明中銅基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率均比相同增強(qiáng)體體系的鋁基復(fù)合材料 高，另外材料本身密度低，熱膨脹系數(shù)小，滿(mǎn)足了封裝材料輕質(zhì)量的要求，降低 了封裝過(guò)程中由于熱膨脹系數(shù)較大引起的熱應(yīng)力，此類(lèi)銅基復(fù)合材料將廣泛地應(yīng)
用于功率器件封裝的底座、IC封裝的外殼、熱沉或散熱基板及LED熱沉或散熱基 板等。
(2) 本發(fā)明預(yù)制件的制備采用了注射成形工藝，采用此工藝的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)轭w 粒增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料在后續(xù)加工較難，為了將銅基復(fù)合材料用在器件上，采用 近凈成形工藝可以制備薄壁及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件。
(3) 本發(fā)明在真空壓力爐中預(yù)制件中熔滲金屬銅， 一方面真空環(huán)境保護(hù)了銅 金屬不被氧化，另一方面通過(guò)壓力可以強(qiáng)行將金屬熔滲到預(yù)制件的孔隙中，克服 銅合金與顆粒增強(qiáng)體之間潤(rùn)濕性差的問(wèn)題，以保證制備出性能優(yōu)異的銅基復(fù)合材 料。


圖1銅基復(fù)合材料的制備工藝流程圖
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)具體實(shí)施方式
與附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一歩詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1:
原料粒徑為14um的SiC顆粒，電解銅。
將14p m的SiC顆粒和粘結(jié)劑按體積比(50: 50)在13(TC下混煉機(jī)上混料 1小時(shí)，冷卻后破碎成粉末，然后在注射成形機(jī)上制備出預(yù)制件坯體。將預(yù)制件
坯體在汽油中浸泡24小時(shí)進(jìn)行粘結(jié)劑的萃取脫脂，自然風(fēng)干后，再在氫氣氣氛
下進(jìn)行熱脫脂和120(TC預(yù)燒結(jié)1小時(shí)，制得預(yù)制件，然后將其裝入石墨模中，并 將電解銅塊按體積比(50: 50)放在預(yù)制件上，然后放入壓力熔滲爐中，當(dāng)真空 抽至O. 1Pa，溫度升至120(TC下銅塊金屬融化，進(jìn)行壓滲，爐冷，退模。制得的 復(fù)合材料的密度為6.24 g/cm3，導(dǎo)熱率為300 W/m-K，熱膨脹系數(shù)為10.9X 1(X6/K。 實(shí)施例2:
原料粒徑為28iim的SiC顆粒，無(wú)氧銅。
將28ym的SiC顆粒和粘結(jié)劑按體積比(75: 25)在130。C下混煉機(jī)上混料 1小時(shí)，冷卻后破碎成粉末，然后在注射成形機(jī)上制備出預(yù)制件坯體。將預(yù)制件 坯體在汽油中浸泡24小時(shí)進(jìn)行粘結(jié)劑的萃取脫脂，自然風(fēng)干后，再在氫氣氣氛 下進(jìn)行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)，制得預(yù)制件，然后將其裝入石墨模中，并將電解銅塊按 體積比(75: 25)放在預(yù)制件上，然后放入壓力熔滲爐中，當(dāng)真空抽至O. 1Pa， 溫度升至120(TC下銅塊金屬融化，進(jìn)行壓滲，爐冷，退模。制得的復(fù)合材料的密 度為4.88g/cm3，導(dǎo)熱率為250W/m-K，熱膨脹系數(shù)為8.2X 1(T6/K。
實(shí)施例3:
原料粒徑為28um的鍍敷銅的金剛石顆粒，電解銅。
將28um的鍍敷銅的金剛石顆粒和粘結(jié)劑按體積比(75: 25)在13(TC下混 煉機(jī)上混料1小時(shí)，冷卻后破碎成粉末，然后在注射成形機(jī)上制備出預(yù)制件坯體。 將預(yù)制件坯體在汽油中浸泡24小時(shí)進(jìn)行粘結(jié)劑的萃取脫脂，自然風(fēng)干后，再在 氫氣氣氛下進(jìn)行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)，制得預(yù)制件，然后將其裝入石墨模中，并將電 解銅塊按體積比(75: 25)放在預(yù)制件上，然后放入壓力熔滲爐中，當(dāng)真空抽至 0. 1Pa，溫度升至IIO(TC下銅塊金屬融化，進(jìn)行壓滲，爐冷，退模。制得的復(fù)合 材料的密度為4.84g/cm3，導(dǎo)熱率為800 W/m-K，熱膨脹系數(shù)為4.5 X 10'6/K。
實(shí)施例4:
原料粒徑為40txm的SiC顆粒與未鍍敷的金剛石顆粒體積比為(70: 30)，電解銅。
取上述配比的混和增強(qiáng)體顆粒和粘結(jié)劑按體積比(50: 50)在14(TC下混煉
機(jī)上混料l小時(shí)，冷卻后破碎成粉末，然后在注射成形機(jī)上制備出預(yù)制件坯體。
將預(yù)制件坯體在汽油中浸泡24小時(shí)進(jìn)行粘結(jié)劑的萃取脫脂，自然風(fēng)干后，再在 氫氣氣氛下進(jìn)行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)，制得預(yù)制件，然后將其裝入石墨模中，并將電 解銅塊按體積比為(70: 30)放在預(yù)制件上，然后放入壓力熔滲爐中，當(dāng)真空抽 至0.5Pa，溫度升至120(TC下銅塊金屬融化，進(jìn)行壓滲，爐冷，退模。制得的復(fù) 合材料的密度為6.13 g/cm3，導(dǎo)熱率為370 W/m-K，熱膨脹系數(shù)為10X 10—6/K。 實(shí)施例5:
原料粒徑為40um的SiC顆粒與鍍鈦金剛石顆粒體積比為(60: 40)，電解銅。
取上述配比的混和增強(qiáng)體顆粒和粘結(jié)劑按體積比(60: 40)在13(TC下混煉 機(jī)上混料l小時(shí)，冷卻后破碎成粉末，然后在注射成形機(jī)上制備出預(yù)制件坯體。 將預(yù)制件坯體在汽油中浸泡24小時(shí)進(jìn)行粘結(jié)劑的萃取脫脂，自然風(fēng)干后，再在 氫氣氣氛下進(jìn)行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)，制得預(yù)制件，然后將其裝入石墨模中，并將電 解銅塊按體積比為(60: 40)放在預(yù)制件上，然后放入壓力熔滲爐中，當(dāng)真空抽 至O. 1Pa，溫度升至1200。C下銅塊金屬融化，進(jìn)行壓滲，爐冷，退模。制得的復(fù) 合材料的密度為5.58g/cm3，導(dǎo)熱率為360W/m-K，熱膨脹系數(shù)為9X 10'6/K。
權(quán)利要求
1、一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料由增強(qiáng)體和粘結(jié)劑經(jīng)預(yù)制件的注射成形工藝，制成增強(qiáng)體預(yù)制件；將銅基體直接放在該增強(qiáng)體預(yù)制件上，經(jīng)壓力浸滲工藝制成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，其特征在于所述的 增強(qiáng)體顆粒由碳化硅顆粒、金剛石顆?；虻X顆粒中的一種或兩種組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，其特征在于所述的 銅基體為電解銅或無(wú)氧銅。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，其特征在于所述粘 結(jié)劑為石蠟基粘結(jié)劑，且增強(qiáng)體和石蠟基粘結(jié)劑的體積比為50-75%: 25-50%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，其特征在于所述增 強(qiáng)體與銅基體的體積比為50-75%: 25-50%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，其特征在于所述金 剛石顆粒為未鍍覆顆?；蝈冣仭~、鎢或鉬的金屬層顆粒。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料，其特征在于所 述增強(qiáng)體顆粒尺寸為7 60 u m。
8、 一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (1)預(yù)制件的注射成形工藝a、 將增強(qiáng)體顆粒和石蠟基粘結(jié)劑按照體積比為50-75%: 25-50%進(jìn)行配制， 并在120-150。C下混煉機(jī)上混料0.5-1小時(shí)，冷卻后破碎成粉末，其中增強(qiáng)體顆 粒尺寸為7 60tim，由碳化硅顆粒、金剛石顆?；虻X顆粒中的一種或兩種 組成，所述金剛石顆粒為未鍍覆顆?；蝈冣仭~、鎢或鉬的金屬層顆粒；b、 將該粉末在注射成形機(jī)上制備出預(yù)制件坯體；c、 將該預(yù)制件坯體在汽油中浸泡至少24小時(shí)后，進(jìn)行粘結(jié)劑的萃取脫脂， 自然風(fēng)干；d、將風(fēng)干后的預(yù)制件坯在900-120(TC的氫氣氣氛下進(jìn)行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)；(2)壓力浸滲工藝a、 將預(yù)制件放入石墨模具中，銅基體直接放在增強(qiáng)體預(yù)制件上，其中銅基 體為電解銅或無(wú)氧銅，且增強(qiáng)體與銅基體的體積比為50-75%: 25-50%;b、 放入真空壓力熔滲爐中，抽真空，同時(shí)升溫；c、 真空壓力爐真空度達(dá)到0.01-lPa，溫度升至1100-120(TC時(shí)開(kāi)始?jí)簼B金 屬銅基體；d、 爐冷，退模。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子封裝材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)一種高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料及其制備方法。該銅基復(fù)合材料由增強(qiáng)體和粘結(jié)劑經(jīng)預(yù)制件的注射成形工藝，制成增強(qiáng)體預(yù)制件，其中增強(qiáng)體顆粒的尺寸為7～60μm，由碳化硅顆粒、金剛石顆?；虻X顆粒中的一種或兩種組成；將銅基體直接放在該增強(qiáng)體預(yù)制件上，其中銅基體為電解銅或無(wú)氧銅，增強(qiáng)體與銅基體的體積比為50-75％∶25-50％，經(jīng)壓力浸滲工藝制成。該制備方法采用預(yù)制件的注射成形工藝和壓力浸滲工藝制成該高導(dǎo)熱銅基復(fù)合材料。本發(fā)明中銅基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率均比相同增強(qiáng)體體系的鋁基復(fù)合材料高，材料本身密度低，熱膨脹系數(shù)小，滿(mǎn)足了封裝材料輕質(zhì)量的要求。
文檔編號(hào)C22C9/00GK101168807SQ20071017884
公開(kāi)日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者尹法章, 席明哲, 張習(xí)敏, 張永忠, 駿 徐, 石力開(kāi), 宏 郭 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院