一種金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，屬于微波技術(shù)應(yīng)用和材料粉末 冶金技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元器件集成化程度越來(lái)越高，發(fā)熱量也越來(lái)越大， 微處理器及功率半導(dǎo)體器件在應(yīng)用過(guò)程中常常因?yàn)闇囟冗^(guò)高而無(wú)法正常工作，散熱問(wèn)題已 成為電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要技術(shù)瓶頸之一。新型微電子封裝材料不僅要有高的熱導(dǎo) 率，還必須具有與半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)?，F(xiàn)有的電子封裝材料主要有W/Cu、Mo/ Cu、SiCp/Al、SiCp/Cu等，已難以滿足未來(lái)大功率器件散熱的需求。
[0003] 金剛石具有良好的物理性能，其室溫?zé)釋?dǎo)率為600-2200WAm?K)，熱膨脹系數(shù)為 0.8涵10 6/K，其兼具高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)。隨著金剛石產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，其生產(chǎn)成本 不斷降低，金剛石顆粒常作為增強(qiáng)體與金屬基體（Al、Cu、Ag等）制備成復(fù)合材料用于電子 封裝。其中，鋁和鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和較低的密度，再加上較低的 制造成本和材料價(jià)格，使得其成為金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用較廣的基體材料。因此，金剛石/ 鋁復(fù)合材料是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型電子封裝材料。但金剛石與鋁存在潤(rùn)濕性較 差，熱膨脹系數(shù)差別大的問(wèn)題，使得二者很難形成緊密的界面結(jié)合，進(jìn)而影響復(fù)合材料的熱 物性能和力學(xué)性能。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)界面的緊密結(jié)合，從而提高材料熱導(dǎo)率，國(guó)內(nèi)外研究人員普遍通過(guò)金屬 基體合金化、金剛石顆粒表面改性和先進(jìn)成形技術(shù)等多種方法對(duì)兩相界面進(jìn)行調(diào)控。其中， 目前所研究的先進(jìn)成形技術(shù)主要包括無(wú)壓浸滲、擠壓浸滲、氣壓輔助浸滲、真空熱壓燒結(jié)和 放電等離子體燒結(jié)等方法。
[0005] 在上述所有的這些方法中，金屬基體合金化和金剛石顆粒表面改性方法可以實(shí)現(xiàn) 很好的界面結(jié)合，但同時(shí)卻使得成型工藝復(fù)雜化，而合金元素引入所帶來(lái)的不良影響也會(huì) 限制其進(jìn)一步發(fā)展；無(wú)壓浸滲和擠壓浸滲法成本相對(duì)較低，但其效果不太理想；氣壓輔助 浸滲和真空熱壓燒結(jié)法所存在的問(wèn)題是制備成本較高，設(shè)備不易控制，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生 產(chǎn)；放電等離子體燒結(jié)法相對(duì)來(lái)說(shuō)是目前較優(yōu)的方法，但其仍存在對(duì)高金剛石含量的復(fù)合 散熱材料燒結(jié)致密化較困難、設(shè)備昂貴等問(wèn)題。因此，開發(fā)一種制備工藝簡(jiǎn)單、效果較好、成 本較低且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的金剛石/鋁復(fù)合材料制備方法顯得十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及不足，本發(fā)明提供一種金剛石/鋁復(fù)合材料的制 備方法。該方法能簡(jiǎn)單高效、界面結(jié)合性能較好、成本低廉的實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)出性能優(yōu)良的 金剛石/鋁復(fù)合材料，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0007] -種金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下： (1)首先將粒徑為80~150iim金剛石顆粒，然后經(jīng)過(guò)堿洗、粗化后按體積比為50~70 : 50~30加入鋁粉混合均勻得到混粉； (2)向步驟（1)得到的混粉中通入保護(hù)性氣體，在壓力為10~35MPa條件下先以5~10°C/min的升溫速率微波加熱至200~300°C保溫5min，再以30~50°C/min的升溫速率微波加熱 至650~750°C熱壓燒結(jié)0. 5~lh，燒結(jié)完成后冷卻脫膜制備得到金剛石/鋁復(fù)合材料。
[0008] 所述步驟（1)中鋁粉粒徑為30~100ym，純度大于99. 9%。
[0009] 所述步驟（2)中的保護(hù)性氣體為體積比為20 :80的氏和Ar混合氣體。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是： 1、本發(fā)明方法金剛石微粒表面采用稀堿溶液進(jìn)行了除油，并用濃硝酸進(jìn)行了粗化處 理，可以使得鋁基體更易和金剛石微粒粘附且界面接觸面積增大。
[0011] 2、本發(fā)明方法微波加熱燒結(jié)本身就具有促進(jìn)復(fù)合材料致密化的作用，再外加成型 壓力的作用，可以實(shí)現(xiàn)基體更為均勻、有效傳遞，最大限度地改善金屬熔體與金剛石顆粒的 接觸，提高界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而得到致密性較好、界面接觸良好且整體性能較好的復(fù)合材 料燒結(jié)體。
[0012] 3、本發(fā)明方法微波加熱升溫速率快，加熱效率高，且由于微波催化活化及外加壓 力的促進(jìn)作用，可以降低燒結(jié)溫度和縮短保溫時(shí)間，燒結(jié)溫度僅為650~750°C，保溫時(shí)間 僅為0. 5~lh;而我們知道常規(guī)制備方法如浸滲法，一般所需溫度大于800°C，保溫時(shí)間一 般為1~2h，甚至更高，而高溫會(huì)促進(jìn)A14C3的生成，其生成量量隨著浸滲溫度的增加而增 加，由于A14C3的熱導(dǎo)率與金剛石相比相差很多，其的產(chǎn)生對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響是不利 的。本發(fā)明方法可以大大減少A14C3相的生成，避免其造成不利影響。
[0013] 4、本發(fā)明方法由于相對(duì)較低的燒結(jié)溫度和較短的保溫時(shí)間，不僅在節(jié)約能源方面 很有優(yōu)勢(shì)，還可防止金剛石受高溫氧化侵蝕，減少其熱燒損和石墨化的傾向，我們知道金剛 石在空氣中約750°C時(shí)就會(huì)發(fā)生石墨化，失去其優(yōu)異性能。
[0014] 5、本發(fā)明方法制備的金剛石/鋁復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)55~70%，可 改善普通工藝條件下金剛石體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)整體致密度不好的問(wèn)題，而我們知道，高體積 含量的金剛石復(fù)合材料才能得到較高的熱導(dǎo)率和較低的熱膨脹系數(shù)。
[0015] 6、本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，易操作，成本相對(duì)較低，環(huán)境友好，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的工藝流程圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例3制備得到的金剛石/鋁復(fù)合材料微觀形貌圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3制備得到的金剛石/鋁復(fù)合材料兩相界面結(jié)合形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018] 實(shí)施例1 如圖1所示，該金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下： (1)首先將5g粒徑為80ym金剛石顆粒，然后經(jīng)過(guò)堿洗(采用60ml濃度為10wt. %的NaOH溶液中煮沸30min，用蒸餾水沖洗2~3次，除去金剛石表面的油脂等污物，除油過(guò)程中 采用磁力攪拌器進(jìn)行攪)、粗化(采用60ml濃度為30wt. %的硝酸溶液煮沸30min，蒸餾水洗 2~3次，使表面粗化，以增加其和基體的接觸面積，粗化過(guò)程中采用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌)后 按體積比為50 :50加入鋁粉(粒徑為30ym，純度大于99. 9%)混合均勻得到混粉； (2 )將步驟（1)得到的混粉置于石墨模具中后放置在微波熱壓燒結(jié)爐腔體中，通入保護(hù) 性氣體，在壓力為lOMPa條件下先以5°C/min的升溫速率微波加熱至200°C保溫5min，再以 30°C/min的升溫速率微波加熱至650°C熱壓燒結(jié)0. 5h，燒結(jié)完成后冷卻脫膜制備得到金剛 石/鋁復(fù)合材料，其中保護(hù)性氣體為體積比為20 :80的氏和Ar混合氣體，混合氣體的通入 量為 10000ml/min。
[0019] 實(shí)施例2 如圖1所示，該金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下： (1)首先將5g粒徑為150ym金剛石顆粒，然后經(jīng)過(guò)堿洗(采用60ml濃度為10wt. %的NaOH溶液中煮沸30min，用蒸餾水沖洗2~3次，除去金剛石表面的油脂等污物，除油過(guò)程中 采用磁力攪拌器進(jìn)行攪)、粗化(采用60ml濃度為30wt. %的硝酸溶液煮沸30min，蒸餾水洗 2~3次，使表面粗化，以增加其和基體的接觸面積，粗化過(guò)程中采用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌)后 按體積比為70 :30加入鋁粉(粒徑為80ym，純度大于99. 9%)混合均勻得到混粉； (2 )將步驟（1)得到的混粉置于石墨模具中后放置在微波熱壓燒結(jié)爐腔體中，通入保護(hù) 性氣體，在壓力為35MPa條件下先以10°C/min的升溫速率微波加熱至300°C保溫5min，再 以50°C/min的升溫速率微波加熱至750°C熱壓燒結(jié)lh，燒結(jié)完成后冷卻脫膜制備得到金剛 石/鋁復(fù)合材料，其中保護(hù)性氣體為體積比為20 :80的氏和Ar混合氣體，混合氣體的通入 量為 10000ml/min。
[0020] 實(shí)施例3 如圖1所示，該金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下： (1)首先將5g粒徑為100ym金剛石顆粒，然后經(jīng)過(guò)堿洗(采用60ml濃度為10wt. %的NaOH溶液中煮沸30min，用蒸餾水沖洗2~3次，除去金剛石表面的油脂等污物，除油過(guò)程中 采用磁力攪拌器進(jìn)行攪)、粗化(采用60ml濃度為30wt. %的硝酸溶液煮沸30min，蒸餾水洗 2~3次，使表面粗化，以增加其和基體的接觸面積，粗化過(guò)程中采用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌)后 按體積比為65 :35加入鋁粉(粒徑為100ym，純度大于99. 9%)混合均勻得到混粉； (2 )將步驟（1)得到的混粉置于石墨模具中后放置在微波熱壓燒結(jié)爐腔體中，通入保護(hù) 性氣體，在壓力為25MPa條件下先以8°C/min的升溫速率微波加熱至250°C保溫5min，再以 40°C/min的升溫速率微波加熱至710°C熱壓燒結(jié)0. 8h，燒結(jié)完成后冷卻脫膜制備得到金剛 石/鋁復(fù)合材料，其中保護(hù)性氣體為體積比為20 :80的氏和Ar混合氣體，混合氣體的通入 量為 10000ml/min。
[0021] 本實(shí)施例制備的金剛石/鋁復(fù)合材料的微觀形貌如圖2所示，金剛石顆粒均勻的 分布于基體之間，沒(méi)有出現(xiàn)明顯偏聚或團(tuán)簇，金剛石顆粒突出表面且輪廓清晰，而且，燒結(jié) 較為充分，基體組織中不存在明顯的孔洞等顯微缺陷；本實(shí)施例制備的金剛石/鋁復(fù)合材 料樣品的兩相界面結(jié)合形貌如圖3所示，從圖中可以看出金剛石被鋁基體緊緊包覆，兩相 界面間無(wú)間隙、無(wú)孔隙，結(jié)合十分緊密，而且兩相界面處未見(jiàn)明顯的裂紋和空洞等顯微缺陷 存在。
[0022] 以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述 實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前 提下作出各種變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下： (1) 首先將粒徑為80~150iim金剛石顆粒，然后經(jīng)過(guò)堿洗、粗化后按體積比為50~70 : 50~30加入鋁粉混合均勻得到混粉； (2) 向步驟（1)得到的混粉中通入保護(hù)性氣體，在壓力為10~35MPa條件下先以5~10°C / min的升溫速率微波加熱至200~300°C保溫5min，再以30~50°C /min的升溫速率微波加熱 至650~750°C熱壓燒結(jié)0. 5~lh，燒結(jié)完成后冷卻脫膜制備得到金剛石/鋁復(fù)合材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（1) 中鋁粉粒徑為30~100 y m，純度大于99. 9%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（2) 中的保護(hù)性氣體為體積比為20 :80的氏和Ar混合氣體。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，屬于微波技術(shù)應(yīng)用和材料粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域。首先將粒徑為80~150μm金剛石顆粒，然后經(jīng)過(guò)堿洗、粗化后按體積比為50~70：50~30加入鋁粉混合均勻得到混粉；向得到的混粉中通入保護(hù)性氣體，在壓力為10~35MPa條件下先以5~10℃/min的升溫速率微波加熱至200~300℃保溫5min，再以30~50℃/min的升溫速率微波加熱至650~750℃熱壓燒結(jié)0.5~1h，燒結(jié)完成后冷卻脫膜制備得到金剛石/鋁復(fù)合材料。該方法能簡(jiǎn)單高效、界面結(jié)合性能較好、成本低廉的實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)出性能優(yōu)良的金剛石/鋁復(fù)合材料。
【IPC分類】C22C21/00, C22C26/00, C22C1/05
【公開號(hào)】CN105112707
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510537893
【發(fā)明人】彭金輝, 顧全超, 許磊, 夏仡, 張利波, 吳慶田
【申請(qǐng)人】昆明理工大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年8月28日