本發(fā)明涉及一種新型石墨層狀排列的銅基復(fù)合材料及其制備方法，提供了一種利用導(dǎo)熱各向異性的片狀石墨為原料，結(jié)合特殊制備工藝制備出層狀結(jié)構(gòu)散熱元件材料的制備方法，屬于小型化集成電子封裝材料領(lǐng)域。

技術(shù)背景

集成電路板的散熱性能是保證各類儀器、生活電器電子設(shè)備正常運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，緊貼在集成電路電子元件外的封裝基板是電子元件散熱的主要部件。集成電路在運(yùn)作過程中產(chǎn)生的熱量極大，未能及時(shí)散開會(huì)導(dǎo)致集成電路工作效率降低甚至燒毀，另外電子元件封裝基板與電子元件線膨脹系數(shù)要有良好匹配，這樣才能保證集成電路持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)作。

隨著電子工業(yè)迅猛發(fā)展，電子信息技術(shù)對電子產(chǎn)品的小型化、便攜化、多功能、低成本提出了更高要求，這需要集成電路的更密集化，為滿足此要求，電子封裝材料有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)意義上，基板材料主要分為陶瓷基板、金屬基板和有機(jī)高分子基板。陶瓷基板如氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁等，其氣密性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，但燒結(jié)精度差且價(jià)格昂貴，一般應(yīng)用在特殊場合；有機(jī)高分子基材料，主要為熱固性塑料，其抗潮效果好且耐蝕，但其熱導(dǎo)率較低的問題還有待解決；金屬電子封裝基板常用的包括銅基、鋁基復(fù)合材料等，導(dǎo)熱性非常好，并且可通過在基體中添加增強(qiáng)相改善了材料與電子元件線膨脹系數(shù)不匹配的問題。

銅基復(fù)合材料中的銅，一方面作為導(dǎo)熱基體，另一方面起著粘結(jié)及固定石墨片的作用；通過采用新型的流延成型工藝使石墨片定向排列在基體平面上，極大增強(qiáng)石墨片排列方向的導(dǎo)熱性，另外，可制得大面積復(fù)合材料，易于加工切割。

根據(jù)近十年的文獻(xiàn)檢索，在文獻(xiàn)[1]中，采用流延法制備了高分子基的石墨片復(fù)合材料，但該種材料難以進(jìn)行電加工切削，在文獻(xiàn)[2]，[3]中，利用金剛石和石墨纖維制備了銅基復(fù)合材料，但該種復(fù)合材料的定向?qū)嵝暂^差；在文獻(xiàn)[4]中，采用了單一熱壓燒結(jié)法制備了銅基石墨片復(fù)合材料，但該種復(fù)合材料中石墨片定向排列率較低，難以達(dá)到定向高導(dǎo)熱性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為改善上述材料性能缺陷，本發(fā)明中選用銅粉和石墨片作為原料，相對于高分子基復(fù)合材料有更高的導(dǎo)熱性和更好的電加工性能，采用流延成型工藝，可提高石墨片的定向排列率，采用雙向熱壓燒結(jié)工藝，可提高復(fù)合材料的致密度，得到導(dǎo)熱性能更好的材料。

一種石墨片定向?qū)訝钆帕械你~基復(fù)合材料散熱片的制備方法，其特征在于：用純銅粉作為基體材料，人工合成石墨片作為導(dǎo)熱增強(qiáng)相，將原材料粉混合均勻后，經(jīng)流延成型，干燥，裁剪，堆垛，脫膠，雙向熱壓燒結(jié)制成了片狀石墨定向?qū)訝钆帕?，呈層狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱各向異性復(fù)合材料。

進(jìn)一步的采用的基體材料為電解純銅粉，粒徑5-10μm，人造石墨片片徑1-2mm，厚度為20-50μm，混合粉中銅粉體積分?jǐn)?shù)為30～70％，石墨片體積分?jǐn)?shù)為30～70％；粘結(jié)劑采用聚乙烯醇縮丁醛和乙醇配制的混合液，其中聚乙烯醇縮丁醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90％；原材料粉末在v型混料機(jī)中干混9h后，加入粘結(jié)劑充分?jǐn)嚢铻榫鶆驖{料。

進(jìn)一步流延成型步驟為：將漿料倒入流延裝置中，調(diào)節(jié)刀片高度為0.2-0.7mm，流延帶的運(yùn)行速率為4.0-4.4m/min，以此保證片狀的石墨顆粒能在已成型的膜平面上充分的鋪展開。

進(jìn)一步干燥步驟為：將已成型的流延膜置于干燥箱內(nèi)，干燥溫度設(shè)置為25-45℃，完全干燥后根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行裁剪和堆垛。

進(jìn)一步脫膠過程在純氮?dú)夥罩羞M(jìn)行，以防止復(fù)合材料膜氧化，升溫速率為5℃/min，至400℃保溫2h。

進(jìn)一步將裁剪和堆垛后的產(chǎn)品置于石墨模具中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)在純氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行，升溫速率為5℃/min，至950-1000℃保溫5-10min，雙向熱壓壓力為5-15mpa。

進(jìn)一步石墨片定向?qū)訝钆帕械膹?fù)合材料需用掃描電子顯微鏡進(jìn)行定向排列率檢測，即在規(guī)定的平行排列方向上，石墨片排列旋轉(zhuǎn)角度低于5°的橫向排列率在80％以上，石墨片破碎率低于5％。

制得的樣品用掃描電子顯微鏡進(jìn)行定向排列率分析，定向排列率用取向度κ和破碎率η的標(biāo)定，其中，κ的定義式為：

κ＝z/z0×100％(1)

式中，z0為視場中石墨片總數(shù)，z為視場中為平行排列的石墨片數(shù)(取向角偏差為±3°者)。η定義為：

η＝m/m0×100％(2)式中，m0為視場中石墨片總數(shù)，m為視場中破碎的石墨片數(shù)。

復(fù)合材料的石墨片定向排列的取向度大于80％，石墨片破碎率低于5％的復(fù)合材料為合格品。具體制備工藝流程如圖1，流延成型過程見圖2。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)

1.制備的新型層狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱各向異性的銅基復(fù)合材料散熱片，熱導(dǎo)率較純銅材料散熱片提高1.1-1.5倍，密度較純銅材料降低25％-55％，對于材料的輕量化研究有重大意義。

2.采用的流延成型工藝使石墨片在銅基體中定向排列性更好，對進(jìn)一步提高復(fù)合材料的各向異性導(dǎo)熱性能有重大意義。

3.該工藝在一次制備過程中可得到大面積復(fù)合材料散熱片，操作方法簡單易行，易于電加工切削，可進(jìn)行大量快速工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為復(fù)合材料散熱片制備工藝流程示意圖，

圖2為流延成型工藝示意圖，

1.刮刀；2.粘結(jié)劑；3.石墨片；4銅粉

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種高導(dǎo)熱電子封裝復(fù)合材料基板，原料混合粉由5-10μm的電解銅粉末和片徑1-2mm，厚度20-50μm的人工合成石墨片組成，純銅粉末和石墨片的體積分?jǐn)?shù)分別為60％和40％。

將上述各組分按比例配料，在微型混料機(jī)中混合9h成為均勻粉體，加入聚乙烯醇縮丁醛與乙醇質(zhì)量比為1:9的粘結(jié)劑，充分?jǐn)嚢铻榫鶆驖{料，將漿料倒入流延裝置中經(jīng)流延成膜，在400℃下脫膠2h后，熱壓燒結(jié)時(shí)以5℃/min升溫至1000℃雙向加壓燒結(jié)，保溫10min，加壓壓力為10mpa，得到銅基電子封裝復(fù)合材料。沿平行于石墨片方向的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)500w/m·k。

實(shí)施例2

一種高導(dǎo)熱電子封裝復(fù)合材料基板，原料混合粉由5-10μm的電解銅粉末和片徑1-2mm，厚度20-50μm的人工合成石墨片組成，純銅粉末和石墨片的體積分?jǐn)?shù)分別為50％和50％。

將上述各組分按比例配料，在微型混料機(jī)中混合9h成為均勻粉體，加入聚乙烯醇縮丁醛與乙醇質(zhì)量比為1:9的粘結(jié)劑，充分?jǐn)嚢铻榫鶆驖{料，將漿料倒入流延裝置中經(jīng)流延成膜，在400℃下脫膠2h后，熱壓燒結(jié)時(shí)以5℃/min升溫至1000℃雙向加壓燒結(jié)，保溫10min，加壓壓力為15mpa，得到銅基電子封裝復(fù)合材料。沿平行于石墨片方向的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)550w/m·k。

參考文獻(xiàn)

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