CN101728279A

CN101728279A - 一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法

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Publication number: CN101728279A
Application number: CN200910238605A
Authority: CN
Inventors: 王西涛; 张洋; 吴建华; 杨滨; 王艳丽
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: CN101728279B

Abstract

一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。其特征是在纯Al基体中添加合金元素制成的单质混合粉末或制成Al合金粉末，单质混合粉末或Al合金粉末与金刚石单晶颗粒按照体积分数比75∶25～40∶60混合均匀，装入石墨模具中进行放电等离子烧结，以50～100℃/min的升温速度加入至烧结温度580～800℃，烧结压力30～40MPa，保温保压5～20min，烧结完成即得到高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料。合金元素包括B、Si、Cr、Ti、Nb、Ag、Cu等。本发明材料的热导率达到430W/m·K，热膨胀系数6.40ppm/K，抗压强度331MPa，密度仅为3.13g/cm³，有效地解决了材料制备过程中单晶金刚石颗粒的石墨化问题，制备工艺简单，生产效率高。

Description

一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，特别是提供了一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，电子产品和器件趋向小型化、轻薄化和高性能化，这就要求芯片的集成度不断提高，功率不断增大，随之带来的问题便是将器件产生的热量及时、高效地导出，以保证工作的稳定性。传统的电子封装材料，如Kovar合金(热导率17W/m·K，热膨胀系数1.3ppm/K，密度8.3g/cm³)、W-Cu合金(热导率209W/m·K，热膨胀系数6.5ppm/K，密度17.0g/cm³)和Al-SiC复合材料(热导率150～220W/m·K，热膨胀系数6.4～12.4ppm/K，密度2.9g/cm³)，由于性能的局限性已很难满足当前的要求，因此开发和制备高性能的封装材料是当前迫切需要解决的问题。

金刚石具有优异的综合性能，热导率为1200～2000W/m·K，热膨胀系数0.8ppm/K，密度3.52g/cm³，进一步通过与高导热金属Al进行复合化设计，可以制备出具有低密度、高导热率、适当热膨胀系数、高弹性模量、高强度和优异耐磨性等优点的电子封装材料。同时随着人工合成金刚石技术的发展，单晶金刚石颗粒的价格大幅降低，使得金刚石强化复合材料的广泛应用成为可能。因此，金刚石强化Al基电子复合材料已经成为新一代高性能电子封装材料的研究重点。

当前，金刚石强化Al基复合材料的制备方法主要有：传统粉末冶金法、压力/无压熔渗法、搅拌铸造法等，文献报道(A.Rodríguez，S.A.Sánchez，J.Narciso.Pressure infiltration of Al-Si alloys into compactsmade of carbon particles.Journal of Materials Science，2005，40(9-10)：2519-2523；O.Beffort，F.A.Khalid，L.Webber et al.Interface formationin infiltration Al(Si)/diamond composites.Diamond and Related Materials，2006，15(9)：1250-1260)和前期实验表明，这些方法的材料制备周期较长，同时存在着界面结构难于控制，容易产生缺陷并影响组织均匀性，金刚石颗粒高温石墨化等问题，这些都将影响制备材料的性能。

放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)是二十世纪九十年代发展成熟的材料制备新技术，它是利用脉冲电流在粉末颗粒间产生的瞬间放电和高温等离子体实现烧结的加压烧结过程，具有快速、低温、高效、组织结构可控等显著优点，在高性能功能材料制备方面得到了广泛的关注和应用(Y.H.Wang，J.P.Lin，Y.H.He，et al.Fabrication and SPS microstructures of Ti-45 Al-8.5Nb-(W，B，Y)alloyingpowders.Intermetallics，2008，16(2)：215-224；J.Liu，X.P.Song，P.Pei，etal.Hydrogen storage properties of Mg-50vol.％V7.4Zr7.4Ti7.4Nicomposites prepared by spark plasma sintering.International Journal ofHydrogen Energy，2009，34(10)：4365-4370；B.H.Li，Y.Liu，H.Cao，et al.Rapid fabrication ofin situ TiC particles reinforced Fe-based compositesby spark plasma sintering.Materials Letters，2009，63(23)：2010-2012；一种负热膨胀Mn₃(Cu_0.5Ge_0.5)N块体材料的制备方法，CN 101543892A)。放电等离子烧结的低温烧结特点将解决高温下金刚石颗粒的石墨化问题，另一方面，烧结过程中的颗粒表面净化、活化过程，提高了颗粒表面原子的能量，促进原子扩散，从而将显著提高烧结质量，改善复合材料中基体和增强相间的界面结合。同时，放电等离子烧结技术可进一步优化基体的合金化作用，基体的合金化作用是通过添加适当的合金元素来改善复合材料中两相界面结合，提高复合材料性能的方法，但合金元素的添加在起到积极作用的同时也会降低金属基体的热导率(L.Weber，R.Tavangar.On the influence of active element content onthe thermal conductivity and thermal expansion of Cu-X(X＝Cr，B)diamond composites.Scripta Materialia，2007，57(11)：988-991；K.A.Weidenmann，R.Tavangar，L.Webber.Mechanical behavior of diamondreinforced metals.Materials Science and Engineering A，2009，523(1-2)：226-234.)，而放电等离子烧结的表面高温活化特点，在降低了合金元素对基体不利影响的同时，还将更加有利于添加的合金元素在界面位置发挥作用，形成有效的过渡层，松弛制备和冷却过程中两相间热膨胀系数不匹配引发的热应力对界面的不良影响，改善界面结合，使得外部应力可以有效传递，并实现复合材料两相中热载体的匹配，提高导热效率，从而制备得到具有优异综合性能的复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，以解决传统制备方法中存在的材料组织均匀性、致密度以及金刚石石墨化难于控制，两相间界面结合差，难于发挥金刚石的优异性能等问题，从而满足当前对电子封装材料更高的要求。

一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，其特征是在纯Al基体中添加合金元素制成的单质混合粉末或制成Al合金粉末，单质混合粉末或Al合金粉末与金刚石单晶颗粒按照体积分数比75∶25～40∶60混合均匀，装入石墨模具中进行放电等离子烧结，烧结在惰性气体的保护条件下或真空度为8～9Pa的真空条件下进行，以50～100℃/min的升温速度加热至烧结温度580～800℃，烧结压力30～40MPa，保温时间5～20min，烧结完毕后随炉冷却，制备得到金刚石强化Al基复合材料。

其中金刚石单晶颗粒的粒径为25～198μm，单质混合粉末和Al合金粉末的粒径＜74μm。

基体中添加的合金元素依据基体合金元素的作用和本身性质的不同可以分为三大类，即：类金属元素B、Si等，强碳化物形成元素Cr、Nb、Ti、V、W等，高导热金属元素Ag、Cu、Mg、Ni等，实际添加元素为其中的一种、两种或三种。

基体合金元素的加入可以通过两种方式，一是按照设计的合金成分，将合金元素单质粉末和纯Al粉混合均匀，得到混合粉末，二是通过电弧熔炼的方法制备得到设计合金成分的Al合金，进而采用机械球磨的方法得到符合要求的合金粉末。

本发明的积极效果表现在：

1.通过本方法制备的纯Al-金刚石复合材料，致密度得到显著提升，可以达到96％以上，材料的热导率由传统方法制备得到的200W/m·K提高到287W/m·K，同时热膨胀系数7.36ppm/K，抗压强度达到157MPa；本发明在此基础之上，可以更加有效的发挥合金化的优异作用，进一步提高材料性能，例如，(1)金刚石颗粒体积分数60％的Al-1wt.％Si-金刚石复合材料，致密度98.1％以上，热导率达到430W/m·K，热膨胀系数6.40ppm/K，抗压强度331MPa，密度为3.13g/cm³，(2)金刚石颗粒体积分数为55％的Al-2wt.％Cu-金刚石复合材料，致密度达到99.3％，热导率为398W/m·K，热膨胀系数6.11ppm/K，抗压强度374MPa，密度3.15g/cm³；

3.可以方便的实现金刚石颗粒体积分数的控制，实现了制备金刚石强化Al基电子封装复合材料性能的可设计性，如金刚石颗粒体积分数为25～60％的Al-1wt.％Si-金刚石复合材料，热导率为295～430W/m·K，热膨胀系数10.31～6.40ppm/K，密度2.86～3.13g/cm³；

4.制备工艺简单、高效、可重复性强，可以有效缩短材料制备时间和降低制备温度；

5.有效解决了金刚石颗粒在材料制备工程中的石墨化问题，提高材料制备质量；

6.可以实现形状复杂工件的近净成型制备，尤其在制备小型工件上优势更加突出。

附图说明

图1为放电等离子烧结(SPS)设备简图，其中，压力加载及测压电源1、压头及加热电极2、石墨盘3、石英窗4、测温仪5、石墨模具6、烧结样品7、冲头8、真空烧结室9、脉冲电源10。

图2放电等离子烧结(SPS)和压力熔渗(PI)制备Al-金刚石复合材料萃取金刚石颗粒的Raman光谱。

图3Al-2wt.％Cu-金刚石复合材料组织形貌的SEM图。

图4Al-1wt.％Si-金刚石复合材料断口形貌的SEM图。

具体实施方案

实施例1：

单晶金刚石颗粒粒径198μm，纯Al粉粒径＜74μm，金刚石和纯Al粉体积比60∶40。

按照设计原料配比将单晶金刚石颗粒与纯Al粉在行星式球磨机中干混30min，转速为350r/min，混合均匀后进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：烧结温度选取640℃，以80℃/min的升温速度进行升温，温度达到400℃时施加40MPa的烧结压力，达到640℃的烧结温度后保温保压10min，烧结完成，随炉冷却至150℃后脱模取出，材料制备完成。制备得到的Al-金刚石复合材料致密度＞91％，同时热导率达到227W/m·K，密度2.91g/cm³。

实施例2：

单晶金刚石颗粒粒径25μm，纯Al粉＜74μm，金刚石与纯Al粉体积比60∶40。

按照设计原料配比将单晶金刚石颗粒与纯Al粉在行星式球磨机中干混30min，转速为350r/min，混合均匀后进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：烧结温度选取640℃，以50℃/min的升温速度进行升温，温度达到400℃时施加40MPa的烧结压力，达到640℃的烧结温度后保温保压10min，烧结完成，随炉冷却至150℃后脱模取出，材料制备完成。制备得到的Al-金刚石复合材料致密度＞96％，同时热导率达到287W/m·K，热膨胀系数7.36ppm/K，密度3.07g/cm³，抗压强度157MPa。

实施例3：

单晶金刚石颗粒粒径25μm，粒径＜74μm的Al、Si单质粉按Si含量为1wt.％混合为单质元素混合粉末，金刚石与混合粉末体积比25∶75。

按照设计原料配比将单晶金刚石颗粒与Al、Si单质元素混合粉末在行星式球磨机中干混60min，转速为350r/min，混合均匀后进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：烧结温度600℃，以50℃/min的升温速度进行升温，温度达到400℃时施加40MPa的烧结压力，达到600℃的烧结温度后保温保压10min，烧结完成，随炉冷却至150℃后脱模取出，材料制备完成。制备得到的Al-1wt.％Si-金刚石复合材料致密度达到98.5％，同时热导率295W/m·K，热膨胀系数10.31ppm/K，密度3.86g/cm³。与实施例1和2比较，可以显著提升制备复合材料的性能。

实施例4：

单晶金刚石颗粒粒径25μm，粒径＜74μm的Al、Si单质粉按Si含量为1wt.％混合为单质元素混合粉末，金刚石与混合粉末体积比60∶40。

按照设计原料配比将单晶金刚石颗粒与Al、Si单质元素混合粉末在行星式球磨机中干混60min，转速为350r/min，混合均匀后进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：烧结温度600℃，以50℃/min的升温速度进行升温，温度达到400℃时施加40MPa的烧结压力，达到600℃的烧结温度后保温保压10min，烧结完成，随炉冷却至150℃后脱模取出，材料制备完成。制备得到的Al-1wt.％Si-金刚石复合材料致密度达到98.1％，同时热导率430W/m·K，热膨胀系数6.40ppm/K，密度3.13g/cm³，抗压强度331MPa。与实施例1和2比较，可以显著提升制备复合材料的性能。

实施例5：

单晶金刚石颗粒粒径25μm，Al-4wt.％Si合金粉末粒径＜74μm，金刚石与合金粉末体积比55∶45。

采用真空电弧熔炼制备Al-4wt.％Si合金，将制备合金进行机械破碎和球磨，过筛达到粒径小于74μm的合金粉末。按照设计原料配比将单晶金刚石颗粒与合金粉末在行星式球磨机中干混60min，转速为350r/min，混合均匀后进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：烧结温度580℃，以50℃/min的升温速度进行升温，温度达到400℃时施加40MPa的烧结压力，达到580℃的烧结温度后保温保压10min，烧结完成，随炉冷却至150℃后脱模取出，材料制备完成。制备得到的Al-4wt.％Si-金刚石复合材料致密度达到99.1％，同时热导率398W/m·K，热膨胀系数6.45ppm/K，密度3.12g/cm³。与实施例1和2比较，可以显著提升制备复合材料的性能。

实施例6：

单晶金刚石颗粒粒径25μm，粒径＜74μm的Al、Cu单质粉按Cu含量为2wt.％混合为单质元素混合粉末，金刚石与混合粉末体积比55∶45。

按照设计原料配比将单晶金刚石颗粒与Al、Cu单质元素混合粉末在行星式球磨机中干混60min，转速为350r/min，混合均匀后进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：烧结温度580℃，以50℃/min的升温速度进行升温，温度达到400℃时施加40MPa的烧结压力，达到580℃的烧结温度后保温保压10min，烧结完成，随炉冷却至150℃后脱模取出，材料制备完成。制备得到的Al-2wt.％Cu-金刚石复合材料致密度达到99.3％，热导率为398W/m·K，热膨胀系数6.11ppm/K，密度3.15g/cm³，抗压强度374MPa。与实施例1和2比较，可以显著提升制备复合材料的性能。

实施例7：

单晶金刚石颗粒粒径25μm，粒径＜74μm的Al、Ti单质粉按Ti含量为0.5wt.％混合为单质元素混合粉末，金刚石与混合粉末体积比55∶45。

按照设计原料配比将单晶金刚石颗粒与Al、Ti单质元素混合粉末在行星式球磨机中干混60min，转速为350r/min，混合均匀后进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：第一段烧结温度为640℃，以50℃/min的升温速度进行升温，温度达到400℃时施加10MPa的烧结压力，达到640℃后保温20min，继续以80℃/min的升温速度加热至700℃，烧结压力提高到40MPa，保温保压5min，烧结完成，随炉冷却至150℃后脱模取出，材料制备完成。制备得到的Al-0.5wt.％Ti-金刚石复合材料热导率为358W/m·K，热膨胀系数7.21ppm/K。与实施例1和2比较，可以显著提升制备复合材料的性能。

Claims

1.一种高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，其特征是在纯Al基体中添加合金元素制成的单质混合粉末或制成Al合金粉末，单质混合粉末或Al合金粉末与金刚石单晶颗粒按照体积分数比75∶25～40∶60混合均匀，装入石墨模具中进行放电等离子烧结，烧结在惰性气体的保护条件或真空度为8～9Pa的真空条件下进行，以50～100℃/min的升温速度加入至烧结温度580～800℃，烧结压力30～40MPa，保温时间5～20min，烧结完毕后随炉冷却，制备得到高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料。

2.依据权利要求1所述高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，其特征是：Al基体中添加的合金元素分为三大类，即：类金属元素B、Si，强碳化物形成元素Cr、Nb、Ti、V、W，高热导率金属元素Ag、Cu、Mg、Ni，实际添加元素为其中的一种、两种或三种。

3.依据权利要求1或2所述高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，其特征是：合金元素的加入通过两种方式，一是按照设计合金成分，将合金元素单质粉末和Al单质粉末混合均匀，得到混合粉末；二是通过电弧熔炼的方法制备得到设计合金成分的Al合金，进而采用机械破碎和球磨的方法得到＜74μm的合金粉末。

4.依据权利要求1所述高性能金刚石强化Al基电子封装复合材料的制备方法，其特征是：金刚石为单晶金刚石颗粒，粒径为25～198μm，Al粉与合金元素粉末的粒径为＜74μm。