CN104060117A

CN104060117A - 金刚石/铜基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104060117A
Application number: CN201410322428.8A
Authority: CN
Inventors: 罗国强; 刘茹霞; 张联盟; 沈强; 李美娟; 王传彬; 陈斐
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2014-09-24

Abstract

本发明涉及金刚石/铜基复合材料及其制备技术领域，具体公开了金刚石/铜基复合材料及其制备方法，该复合材料中金刚石的质量分数为20％～50％，金刚石颗粒在基体中均匀分布。其具体制备方法为先制备铜包钛包金刚石复合粉末，然后将铜包钛包金刚石复合粉末与铜粉混合，形成混合粉末，最后通过表面活化和等离子活化烧结，制备出致密度高的烧结试样。等离子活化烧结工艺为：升温速率50～200℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加压力30～40MPa，烧结温度800℃～900℃，保温时间5～7min。本发明制备金刚石/铜基复合材料烧结温度低，致密度高，晶粒细小，并且操作简单，可控性好。

Description

金刚石/铜基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金刚石金属基复合材料研究领域，涉及金刚石/铜基复合材料的制备方法。

背景技术

金刚石是自然界中导热性最好的材料，常温下的热导率可以达到2200W/(m·K)，铜是工业领域内最重要的工程材料之一，具有优良的导热性能和导电性能，它的热膨胀系数为17×10^-6K^-1，热导率为400W/(m·K)。通过调节金刚石/铜基复合材料中金刚石的体积分数可以实现复合材料高热导率以及热膨胀系数可控等诸多优点，从而满足电子封装材料在微电子领域的需求。尽管金刚石和铜基体的界面润湿困难，但通过在金刚石和铜基体间加入中间层可有效改善界面结合状态。

金刚石/铜基复合材料传统的制备方法主要有热压法、高温高压烧结和熔渗法。热压法由于保温时间较长，中间层元素向铜基体中扩散严重，破坏了晶体的完整性，从而影响金刚石/铜基复合材料的性能。高温高压法制备的金刚石/铜基复合材料中金刚石破损且石墨化严重。熔渗法由于添加粘结剂，在反应中无法完全除去，一部分会残存在金刚石/铜基复合材料中，从而影响复合材料的性能。本文中PAS烧结方法可以实现在较低温度下快速烧结，通过表面活化，表面扩散的物质传递得到促进；等离子活化烧结过程中，晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散和晶粒扩散都得到加强，加快了致密化过程，并且升温速度快，保温时间短，有效抑制了中间层元素的扩散，维持了复合材料结构的规整性，提高了复合材料的各项性能。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有的金刚石/铜基复合材料以及粉末冶金制备高性能金刚石/铜基体复合材料的技术不足和缺陷，提供一种生产工艺简单、可有效提高金刚石/铜基复合材料致密度和热学性能的制备方法。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的金刚石/铜基复合材料的制备方法，具体是：

(1)采用磁控溅射的工艺在金刚石粉末的表面镀0.8～1.5μm厚钛镀层，形成钛包金刚石复合粉末；再采用化学镀铜的工艺在上述金刚石复合粉末的表面镀1～5μm厚铜镀层，形成铜包钛包金刚石复合粉末；最后将铜包钛包金刚石粉末与铜粉混合，形成混合粉末，其中金刚石粉末所占混合粉末中的体积分数为20％～50％；

(2)将混合粉末装在预先制好的石墨模具内，然后在等离子活化烧结炉中进行表面活化、等离子活化烧结；

(3)烧结后的试样经打磨和抛光处理，得到金刚石/铜基复合材料。

所述金刚石表面镀钛在磁控溅射镀膜机(JSD300)中进行，该磁控溅射镀钛的工艺可以为：磁控溅射功率为100～180W，氩气气压0.8～2Pa，磁控溅射时间为30～120min。

所述化学镀铜的工艺可以为：温度30～50℃，pH11～13，铜离子浓度15g/L，甲醛浓度15g/L。

本发明将铜包钛包金刚石粉末与铜粉采用机械方式混合，具体可以为：将混料球、铜包钛包金刚石粉和铜粉放入混料罐，然后放在机械混料机上混料12h；球料质量比为1:1；所采用的铜粉粒度为1～10μm。

所述表面活化在等离子活化烧结炉(Ed-PAS-Ⅲ15T-10P-50)中进行，其工艺可以为：加载时间30～45s，电压10～30kV，电流70～120A。

所述等离子活化烧结在等离子活化烧结炉(Ed-PAS-Ⅲ15T-10P-50)中进行，其工艺可以为：升温速率为50～200℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为30～40MPa，烧结温度为800℃～900℃，保温时间为5～7min。

所述金刚石粉末可以为Ⅰb型，粉末粒径为10～30μm。

所述铜粉末的纯度大于99％，粉末粒径为1～10μm。

本发明所制备的金刚石/铜基复合材料具有良好的界面润湿性，其致密度可以为≥98.0％，热导率可以为≥221W/(m·K)。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

本发明制备铜包钛包金刚石复合粉末，通过表面活化、等离子活化烧结制备得到金刚石/铜基复合材料。在烧结过程中，颗粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递得到促进，晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散和晶粒扩散都得到加强，加快了致密化过程，并且升温速度快，保温时间短，实现铜基复合材料的快速烧结，不仅可以节约能量、节约时间、提高设备效率，而且抑制了中间层元素的扩散，实现了中间层元素改善金刚石和铜基体的设想，且不对复合材料的其他性能产生较大影响。在低温下实现铜基复合材料的致密化，所得烧结样品晶粒均匀，致密度高，热学性能好。

综上所述，本发明生产工艺简单、周期短、可有效提高铜基复合材料的致密度和热学性能；通过化学镀、等离子活化烧结后获得金刚石颗粒均匀分布的铜基复合材料，其致密度可达98％以上，热导率最高可达251W/(m·K)。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是磁控溅射镀钛制备的钛包金刚石粉末的XRD图谱。

图3是磁控溅射镀钛制备的钛包金刚石粉末的SEM图谱。

图4是本发明铜包钛包金刚石复合粉末经过PAS工艺(表面活化时间为30s，活化电压为20kV，活化电流为100A，升温速率为100℃/min，烧结温度为900℃，烧结时间为7min，真空度≤10Pa，烧结压力为30MPa)试样的SEM图谱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1

采用磁控溅射的工艺在10μm金刚石粉末的表面镀0.8μm厚钛镀层，形成钛包金刚石复合粉末；然后采用化学镀铜的工艺在上述金刚石复合粉末的表面镀5μm厚铜镀层，形成铜包钛包金刚石复合粉末；再将铜包钛包金刚石复合粉末与铜粉混合，形成混合粉末，其中金刚石粉末所占混合粉末中的体积分数为20％。将混合粉末装在预先制好的石墨模具内，然后在等离子活化烧结炉中进行表面活化、等离子活化烧结(PAS)，表面活化时间为30s，活化电压为20kV，活化电流为100A，真空度≤10Pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为30MPa，升温至800℃保温5min，烧结后的试样进行后续打磨抛光等处理，得到了金刚石/铜基复合材料。

图2和图3分别是磁控溅射镀钛制备的钛包金刚石粉末的XRD图谱和SEM图谱。经检测，所得金刚石/铜基复合材料致密度为98.0％，硬度为153.1HV，热导率为234W/(m·K)，热膨胀系数为16.19×10^-6K^-1。

实施例2

采用磁控溅射的工艺在10μm金刚石粉末的表面镀1.5μm厚钛镀层，形成钛包金刚石复合粉末；然后采用化学镀铜的工艺在上述金刚石复合粉末的表面镀1μm厚铜镀层，形成铜包钛包金刚石复合粉末；再将铜包钛包金刚石复合粉末与铜粉混合，形成混合粉末，其中金刚石粉末所占混合粉末中的体积分数为30％。将混合粉末装在预先制好的石墨模具内，然后在等离子活化烧结炉中进行表面活化、等离子活化烧结，表面活化时间为30s，活化电压为20kV，活化电流为100A，真空度≤10Pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为30MPa，升温至800℃保温5min，烧结后的试样进行后续打磨抛光等处理，得到了金刚石/铜基复合材料。

经检测，所得金刚石/铜基复合材料致密度为98.7％，硬度为259HV，热导率为221W/(m·K)，热膨胀系数为12.93×10^-6K^-1。

实施例3

采用磁控溅射的工艺在10μm金刚石粉末的表面镀0.8μm厚钛镀层，形成钛包金刚石复合粉末；然后采用化学镀铜的工艺在上述金刚石复合粉末的表面镀5μm厚铜镀层，形成铜包钛包金刚石复合粉末；再将铜包钛包金刚石复合粉末与铜粉混合，形成混合粉末，其中金刚石粉末所占混合粉末中的体积分数为40％。将混合粉末装在预先制好的石墨模具内，然后在等离子活化烧结炉中进行表面活化、等离子活化烧结，表面活化时间为30s，活化电压为20kV，活化电流为100A，真空度≤10Pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为40MPa，升温至800℃保温7min，烧结后的试样进行后续打磨抛光等处理，得到了金刚石/铜基复合材料。

经检测，所得金刚石/铜基复合材料致密度为99.1％，硬度为298.7HV，热导率为246W/(m·K)，热膨胀系数为13.10×10^-6K^-1。

实施例4

采用磁控溅射的工艺在10μm金刚石粉末的表面镀0.8μm厚钛镀层，形成钛包金刚石复合粉末；然后采用化学镀铜的工艺在上述金刚石复合粉末的表面镀5μm厚铜镀层，形成铜包钛包金刚石复合粉末；再将铜包钛包金刚石复合粉末与铜粉混合，形成混合粉末，其中金刚石粉末所占混合粉末中的体积分数为50％。将混合粉末装在预先制好的石墨模具内，然后在等离子活化烧结炉中进行表面活化、等离子活化烧结，表面活化时间为30s，活化电压为20kV，活化电流为100A，真空度≤10Pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为30MPa，升温至900℃保温7min，烧结后的试样进行后续打磨抛光等处理，得到了金刚石/铜基复合材料。

图4为本实例条件制备的复合材料的SEM图谱。经检测，所得金刚石/铜基复合材料致密度为98.3％，硬度为388.9HV，热导率为251W/(m·K)，热膨胀系数为12.05×10^-6K^-1。

实施例5

采用磁控溅射的工艺在10μm金刚石粉末的表面镀1.15μm厚钛镀层，形成钛包金刚石复合粉末；然后采用化学镀铜的工艺在上述金刚石复合粉末的表面镀3μm厚铜镀层，形成铜包钛包金刚石复合粉末；再将铜包钛包金刚石复合粉末与铜粉混合，形成混合粉末，其中金刚石粉末所占混合粉末中的体积分数为50％。将混合粉末装在预先制好的石墨模具内，然后在等离子活化烧结炉中进行表面活化、等离子活化烧结，表面活化时间为30s，活化电压为20kV，活化电流为100A，真空度≤10Pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为30MPa，升温至900℃保温7min，烧结后的试样进行后续打磨抛光等处理，得到了金刚石/铜基复合材料。

经检测，所得金刚石/铜基复合材料致密度为98.4％，硬度为376.2HV，热导率为243W/(m·K)，热膨胀系数为11.83×10^-6K^-1。

Claims

1.金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征在于所述磁控溅射镀钛的工艺为：磁控溅射功率为100～180W，氩气气压0.8～2Pa，磁控溅射时间为30～120min。

3.根据权利要求1所述的金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征在于所述化学镀铜的工艺为：温度30～50℃，pH11～13，铜离子浓度15g/L，甲醛浓度15g/L。

4.根据权利要求1所述的金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征在于将铜包钛包金刚石粉末与铜粉采用机械方式混合，具体为：将混料球、铜包钛包金刚石粉和铜粉放入混料罐，然后放在机械混料机上混料12h；球料质量比为1:1；所采用的铜粉粒度为1～10μm。

5.根据权利要求1所述的金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征是所述表面活化在等离子活化烧结炉进行，其工艺为：加载时间30～45s，电压10～30kV，电流70～120A。

6.根据权利要求1所述的金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征是所述等离子活化烧结在等离子活化烧结炉中进行，其工艺为：升温速率为50～200℃/min，真空度≤10Pa，烧结时施加的压力为30～40MPa，烧结温度为800℃～900℃，保温时间为5～7min。

7.根据权利要求1所述的金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征是所述金刚石粉末为Ⅰb型，粉末粒径为10～30μm。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述金刚石/铜基复合材料的制备方法，其特征在于所制备的金刚石/铜基复合材料具有良好的界面润湿性，其致密度为≥98.0％，热导率为≥221W/(m·K)。