CN104308465A - 一种大尺寸高导热金刚石/铜复合板箱型孔轧制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大尺寸高导热金刚石/铜复合板箱型孔轧制的方法。所述方法具体步骤如下：将表面镀铜的金刚石颗粒均匀地装入到外径为2.5-3.5mm的薄壁铜管内；将铜管堆垛在上下两层薄铜板之间成一束，并将两层铜板侧边焊接制成预制体；将制备好的预制体通过多道次的箱型孔冷轧，每道次轧制后进行260-400℃的去应力退火处理。本发明利用金刚石与纯铜硬度方面的差异，在轧制过程中使金刚石颗粒以嵌入的方式进入到铜基体中。采用的箱型孔孔型轧制方法，具有变形均匀、变形量大、可以大批量生产等优点，有利于提高生产效率并且降低生产成本。制备的金刚石/铜复合板金刚石颗粒体积分数为55-65％，热导率可以达到400W/(m·K)以上，在电子封装领域具有广泛的应用前景。

Description

一种大尺寸高导热金刚石/铜复合板箱型孔轧制的方法
技术领域
本发明涉及一种大尺寸高导热金刚石/铜复合板的制备方法，属于轧制成形领域。
背景技术
随着微电子技术的飞速发展，电子芯片的集成度愈来愈高。在功率大幅度提高的同时体积越来越小，所以高效率散热成为保证电子芯片正常工作需要迫切解决的问题。
金刚石是已知自然界中导热率最高的材料，导热率可以达到1500-2000W/(m·K)，在散热领域具有巨大的应用潜力，当前人工合成金刚石技术已经很成熟，其生产成本也大幅度下降，使人造金刚石在复合材料中的大规模应用成为可能。铜是工业领域最重要的工程材料之一，其热导率可以达到400W/(m·K)，在金属中仅次于银，而价格远远低于银，并且铜具有良好的耐腐蚀性能以及优异的加工性能。将金属铜与金刚石进行复合，可以获得拥有较高热导率的金属基复合材料，这对于电子封装技术领域具有重要的应用价值。
传统的金刚石/铜复合材料的制备工艺主要有：粉末冶金法、挤压铸造法和放电等离子法等。
粉末冶金法：粉末冶金法的主要工艺过程包括：配制复合材料粉末；复合粉末压制成预制坯；预制坯烧结。这种方法工艺设备复杂，材料致密度较低，而且在高温下金刚石颗粒容易石墨化，影响复合材料的组织和性能，特别是热导率。
挤压铸造法：挤压铸造是一种使液态或半固态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术。由于是在高温下加工，这就造成了生产成本高、生产效率低、氧化严重、产品合格率低等缺点。
放电等离子法：放电等离子烧结是一种快速烧结新工艺。将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上，在粉末颗粒间即可产生等离子放电，导致粉末的净化、活化、均化等效应。这种方法制备的复合材料尺寸较小，并且只能进行单个生产，不适合大批量生产，设备投资高，生产成本也很高。此外所制备的复合材料致密度较低，影响其使用性能。
除上述方法外，其他技术都是上述方法的改进，但都存在高温、高压、制备成本高、效率低、不能连续制备、制品尺寸小、所制备的复合材料气密性差、热导率低等共性问题。
发明内容
为了提高金刚石/铜复合材料的热导率及生产效率，本发明提供一种箱型孔孔型冷轧方法制备板状金刚石/铜复合材料，简称复合板。该方法可以大幅提高复合板的致密度，增强金刚石颗粒与铜的结合强度，从而提高金刚石/铜复合板的导热性能，并可连续成形大尺寸金刚石/铜复合材料，适于低成本大规模制备高导热材料。
本发明的技术方案是通过以下步骤实现的：
(1)为了增强金刚石颗粒与纯铜基体的浸润性，将金刚石颗粒表面镀上一层铜；
(2)选取外径为2.5-3.5mm的薄壁纯铜管；
(3)将经镀铜的金刚石颗粒装入到薄壁铜管中，并且将铜管的前后两个断面封口；
(4)将装满金刚石颗粒的铜管在上下两块薄铜板之间沿铜板长度方向排列成一束，再将铜板的两侧分别由上下向中心卷起并焊合，制成预制体；
(5)将制备好的预制体在设计的箱型孔轧机上进行多道次冷轧，直至将预制体轧制成尺寸符合要求的高导热金刚石/铜复合板。
(6)将每道次轧制完成的板坯在260-400℃之间进行去应力退火处理，保温1h。
所述的复合板中金刚石颗粒的体积分数为55-65％，需要焊接的上下两块铜板厚度为0.5-1mm。轧制为多道次冷轧，每一道次轧制后需要进行去应力退火处理。
本发明的有益效果是：将金刚石与金属铜两种高热导率材料复合，既克服了金刚石颗粒由于硬度太高而难以加工成形的难题，又解决了金刚石颗粒与金属材料难以复合的问题。制备的大尺寸金刚石/铜复合板热导率可以达到400W(m·K)以上，可以作为新一代高性能电子封装材料，是一种非常有应用前景的散热材料。本发明制备的金刚石/铜复合板，可以根据需要剪裁成不同的形状和尺寸，应用到不同的高技术领域，还可以将多块板叠加进行二次或者多次复合轧制，制成多层的金刚石/铜高导热复合板。
本发明采用箱型孔轧制的方法制备大尺寸高导热金刚石/铜复合板，利用金刚石与铜硬度方面的性能差异，在轧制过程中使金刚石颗粒以嵌入的方式进入到铜基体中，并且利用冷轧不改变复合材料的化学性能、大变形率以及箱型孔的限制宽展防止缺陷的固有特性，来提高复合材料的致密度以及成品的热导率，同时采用金属板焊接的特点来避免传统方法导致的复合材料易于氧化进而造成性能下降的问题。由于轧制工艺对于轧件的尺寸要求较低，可以通过改变孔型的方法来制造大尺寸的复合材料，并且所制备的复合材料也可以通过切割的方法改变尺寸，以满足不同产品需求。同时，利用箱型孔来进行轧制，是由于箱型孔具有沿轧件宽度方向上变形均匀、速度差小、孔型磨损均匀、轧辊变形能量消耗少、孔型轧槽切入轧辊深度较浅、轧辊相对强度较大、允许较大的变形量等优点。并且采用冷轧的方法，有利于实现机械化以及自动化加工，从而提高了生产效率并且降低了生产成本。
附图说明
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细地说明，其中：
图1是金刚石/铜复合板的制备工艺流程图；
图2是金刚石/铜预制体的结构示意图；
图3是金刚石/铜复合板箱型孔轧制示意图；
图4是是金刚石/铜复合体轧制过程示意图。
在上述附图中，1.铜板，2.金刚石/铜粉体，3.铜管，4.轧辊，5.金刚石/铜复合板，6.预制体。
具体实施方式
实施例1：
一种高导热金刚石/铜复合板的制备工艺如附图1所示，首先，将金刚石颗粒表面处理干净后，电镀一层纯铜镀层；其次，将处理好的金刚石/铜粉体2填充到外径为2.5mm、内径为2.0mm的薄壁纯铜管3内；然后，将76根长度为100mm的装满金刚石/铜粉体的铜管3均匀排列在100mm(长)×32mm(宽)×1mm(厚)的铜板1之间，如附图2所示，将上下两块铜板1利用熔焊的方法沿长度方向焊接成预制体6，制备好的预制体6如图2所示；将预制体6放置在箱型孔轧机的轧辊4之间并进行七个道次的冷轧，轧制过程如图3和4所示，七道次轧制的压下量分别为：11mm、4mm、2mm、1mm、1mm、0.5mm、0.5mm；轧件的出口速度分别为：1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s、6.0m/s；将每道次冷轧后的复合体进行去应力退火处理，退火温度和时间分别为260℃和1h。最终制备的金刚石/铜复合板5尺寸为500mm(长度)×41mm(宽度)×2mm(厚度)，金刚石颗粒的体积分数为56％，经过测试得到的热导率为452W/(m·K)。
实施例2：
一种高导热金刚石/铜复合板的制备工艺如附图1所示，首先，将金刚石颗粒表面处理干净后，电镀一层纯铜镀层；其次，将处理好的金刚石/铜粉体2填充到外径为3mm、内径为2.5mm的薄壁纯铜管3内；然后，将54根长度为100mm的装满金刚石/铜粉体的铜管3均匀排列在100mm(长)×32mm(宽)×1mm(厚)的铜板1之间，如附图2所示，将上下两块铜板1利用熔焊的方法沿长度方向焊接成预制体6，制备好的预制体6如图2所示；将预制体6放置在箱型孔轧机的轧辊4之间并进行七个道次的冷轧，轧制过程如图3和4所示，七道次轧制的压下量分别为：9mm、4mm、2mm、1mm、1mm、0.5mm、0.5mm；轧件的出口速度分别为：2.5m/s、4.0m/s、5.0m/s、7.5m/s、10.0m/s、12.5m/s、15m/s；将每道次冷轧后的复合体进行去应力退火处理，退火温度和时间分别为360℃和1h。最终制备的金刚石/铜复合板5尺寸为500mm(长度)×41mm(宽度)×2mm(厚度)，金刚石颗粒的体积分数为63％，经过测试得到的热导率为534W/(m·K)。

Claims (6)

1.一种大尺寸高导热金刚石/铜复合板箱型孔轧制的方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：
(1)将金刚石颗粒表面镀上一层均匀的纯铜，将镀铜后的金刚石颗粒装入到外径为2.5-3.5mm、内径为1.5-2.5mm的薄壁纯铜管内，使金刚石颗粒均匀地填满铜管，并且将铜管的前后断面封口；
(2)将两块薄铜板表面清理干净，将一定数量装满金刚石颗粒的铜管排列在上下两个薄铜板之间形成一束，并且将上下两个铜板侧边焊接制成预制体；
(3)将制备好的预制体在箱型孔轧机上进行多道次的冷轧，每道次轧制后进行去应力退火，直至将预制体轧制成一定厚度和宽度的高导热金刚石/铜复合板。
2.根据权利要求1所述的高导热金刚石/铜复合板的箱型孔轧制的制备方法，其特征是：所述的复合板中金刚石颗粒体积分数为55-65％。
3.根据权利要求1所述的高导热金刚石/铜复合板的箱型孔轧制的制备方法，其特征是：所述的铜管在0.5-1mm厚的铜板间排成一束。
4.根据权利要求1所述的高导热金刚石/铜复合板的箱型孔轧制的制备方法，其特征是：所述的焊接方法为熔焊，将铜板交接口加热至熔化状态，不加压力也不需要添加其他焊接介质，直接完成焊接的方法。
5.根据权利要求1所述的高导热金刚石/铜复合板的箱型孔轧制的制备方法，其特征是：所述的箱型孔系统为多道次的轧制孔型，并且每个道次都是箱型孔。
6.根据权利要求1所述的高导热金刚石/铜复合板的箱型孔轧制的制备方法，其特征是：所述的每道次轧制后进行去应力退火，退火温度为260-400℃。
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