CN105563934A - 带孔的多层s-cmc材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带孔的多层S-CMC材料及其制备方法。该材料包括：钼薄板层和无氧铜板层，其中：每两层所述无氧铜板之间均夹持有一层所述钼薄板且通过轧制方式复合在一起，所述钼薄板具有N排通孔且通孔中均填满铜，N为大于等于2的整数。其制备方法包括带通孔钼薄原料板的制备步骤、带通孔钼薄原料板的清理步骤、加热及热轧步骤、退火及冷轧步骤。本发明得到的材料中，每层钼薄板孔中均填充满铜，界面结合强度好，导热性能增强且热膨胀性能均匀，热膨胀系数可以维持在10*10-6/K左右，厚度方向热导率>300w/m·k。该制备方法简单、效率高，适用于大批量生产且材料收得率大。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜钼铜复合材料及其制备方法，具体涉及一种带孔的多层S-CMC(super-Cu/Mo/Cu，多层铜钼铜)材料及其制备方法。
背景技术
微电子封装热沉材料要求具有适当的热膨胀系数，同时具有尽量高的导热率，以便及时散发芯片产生的热量。芯片技术发展迅速，功率密度的增加非常快，随之，热沉材料从早期的铜、铝、可阀，发展到钨铜、钼铜、CMC、CPC。目前，已经有许多应用对于热沉材料提出要求：热膨胀系数在10*10-6/K左右，厚度方向热导率>300w/m·k。这一指标，目前只有金刚石-铜复合材料能满足，但是工艺复杂、成本高昂无法大批量低成本生产，因而应用受到限制。
中国专利申请号200910213372.1的文献中公开了钼板孔中插入铜芯柱或者熔铜液填充，再磨平，这种方法增加了工序，无形中增加了时间和人工成本，不够实用，实际上也是不可操作的，原因是大面积薄板不好磨加工，难以保证厚度尺寸稳定，而CMC材料对于厚度比例要求非常高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种带孔的多层S-CMC材料及其制备方法。该复合材料是导热更好、热膨胀性能更均匀的材料，其制备方法简单、效率高，适用于大批量生产且材料收得率大。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种带孔的多层S-CMC材料，包括：钼薄板层和无氧铜板层，其中：每两层所述无氧铜板之间均夹持有一层所述钼薄板且通过轧制方式复合在一起，所述钼薄板具有N排M列通孔且通孔中均填满铜，M、N均为大于等于2的整数。
在上述带孔的多层S-CMC材料中，作为一种优选实施方式，所述钼薄板上相邻排的通孔为交错设置，其中第n排通孔与第n+2或第n-2排通孔对齐，第n+1或第n-1排上的某一通孔与第n排上的相应通孔错开，n为1到N中的任一自然数；所述钼薄板上相邻列的通孔为交错设置，其中第m列通孔与第m+2或第m-2列通孔对齐，第m+1或第m-1列上的某一通孔与第m列上的相应通孔错开，m为1到M中的任一自然数。也就是说，相邻排的通孔不是对齐的而是交错分布的，且相邻列的通孔也不是对齐的而是交错分布的，之间相隔一排通孔的两排通孔是对齐的，之间相隔一列通孔的两列通孔是对齐的。
在上述带孔的多层S-CMC材料中，作为一种优选实施方式，所述带孔的多层S-CMC材料的总层数为5层以上(比如5层、6层、7层、8层、9层、10层)，更优选为5-7层；所述钼薄板包括第一种钼薄板和第二种钼薄板，其中，所述第一种钼薄板和所述第二种钼薄板之间仅隔一层无氧铜板且所述第一种钼薄板和所述第二种钼薄板上位于同一排的通孔是交替排列的，所述第一种钼薄板和所述第二种钼薄板上位于同一列的通孔也是交替排列的。
在上述带孔的多层S-CMC材料中，作为一种优选实施方式，所述带孔的多层S-CMC材料的厚度为0.5mm-10mm。
一种上述带孔的多层S-CMC材料的制备方法，包括如下步骤：
带通孔钼薄原料板的制备步骤，在钼薄原料板上制作N排M列通孔，从而得到带通孔的钼薄原料板；
带通孔钼薄原料板的清理步骤，打磨去掉所述带通孔钼薄原料板上的毛刺；
加热及热轧步骤，将无氧铜原料板、所述带通孔钼薄原料板加热，然后按照每两层所述无氧铜原料板之间均夹持有一层所述带通孔钼薄原料板的方式进行热轧复合；
退火及冷轧步骤，将热轧后的复合板材重复进行退火和冷轧处理，直至得到规定厚度的成品S-CMC材料板。
铜层和钼层界面之间的结合状况是影响产品使用性能的关键因素，为了保证界面之间的结合强度，本发明采用了轧制的方式进行复合，轧制可以生产薄片，产品厚度可灵活控制。此外，轧制是在轧制力的作用下完成的，可以通过调整轧制参数实现距离最近的两层钼薄片之间的通孔自动相互错开。如果采用其他方法比如爆炸法或热压法来实现复合，则多层带孔钼薄板的相应通孔都是对齐的，即多层带孔钼薄板同一位置上都有大小相同的孔，则通孔处的膨胀系数会大于周围的膨胀系数，最终产品的性能均匀一致性会差些。
本发明方法得到的多层S-CMC材料，其中芯材钼片上带有通孔，孔中填充满铜，使得热导率较低的钼层具有大量的铜“热通道”，从而改善厚度方向的热导率。钼层中的铜是封闭的，因而整体上平面XY方向热膨胀系数仍然由钼来主导。另外，该方法简单容易、效率高、适合大批量生产且材料收得率高。通孔布满整个钼薄原料板，N视所需板材的大小决定，没有限制。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述带通孔钼薄原料板的制备步骤，所述带通孔钼薄原料板上相邻排的通孔为交错设置，其中第n排通孔与第n+2或第n-2排通孔对齐，第n+1或第n-1排上的某一通孔与第n排上的相应通孔错开，n为1到N中的任一自然数；所述带通孔钼薄原料板上相邻列的通孔为交错设置，其中第m列通孔与第m+2或第m-2列通孔对齐，第m+1或第m-1列上的某一通孔与第m列上的相应通孔错开，m为1到M中的任一自然数。采用该种带通孔钼薄原料板可以增加最终产品性能的均匀一致性，增加成品率。如果所述带通孔钼薄原料板上各排各列的通孔均对齐，则轧制时位于同一行或列处容易被轧断，且由于通孔分布均匀性不好，导致最终产品性能的均匀一致性变差，成品率低。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述加热及热轧步骤中，所述带通孔钼薄原料板的总层数为2层以上；更优选为2-3层，使用该层数的带通孔钼薄原料板有助于使钼和铜的性能更好的发挥，使CMC的性能更均匀。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述加热及热轧步骤中，所述热轧复合时，首先将所述无氧铜原料板和所述带通孔钼薄原料板自上向下依次交替叠置成5层以上的复合板材，然后采用铜质薄片条将所述复合板材的四边包覆，之后再送入轧机中进行热轧。为了轧后裁剪方便，所述无氧铜原料板的规格可略大于所述带通孔钼薄原料板的规格。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述加热及热轧步骤中，所述加热的温度为700-1000℃(比如710℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、980℃、995℃)，加热的时间为0.3-2.5小时(比如0.4h、0.6h、0.9h、1.2h、1.5h、2h、2.3h)。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述加热及热轧步骤中，所述热轧复合分为第一次热轧复合和第二次热轧复合，所述第一次热轧复合的总压下量不大于25％(比如10％、15％、20％、22％、24％)，所述第二次热轧复合的总压下量不小于40％(比如42％、50％、55％、60％、65％、70％)。更优选地，所述第一次热轧复合的道次数为1，所述第二次热轧复合的道次数为2。
本发明通过大量实验，发现轧制过程可以使钼片中的孔填满，并与周围结合良好，控制轧下量对该产品起着重要作用。第一道次热轧压下量应该以将铜挤入孔中为目的，轧下量不应大于25％，防止铜流动太快来不及填满孔洞，具体视坯料的厚度而定。第一道次变形后，将料放回炉中加热，然后继续热轧，此次的总压下量需不小于40％，以保证结合强度，道次最好控制为2个。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述加热及热轧步骤中，所述第一次热轧复合和所述第二次热轧复合的始轧温度为700-1000℃(比如710℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、980℃、995℃)，终轧温度为600-900℃(比如610℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、880℃、895℃)；所述第一次热轧复合和第二次热轧复合之间还包括第二次加热处理，第二次加热温度为700-1000℃(比如710℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、980℃、995℃)，第二次加热时间为20-30min(比如22min、25min、28min、29min)。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述加热及热轧步骤中，所述热轧复合是在真空或纯氢气的保护下进行的。本发明的轧制工艺必须在真空或纯氢气的保护下，其它混合气体如氮气的原子直径较大，不易从钼片中的孔溢出，会影响结合效果。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述退火及冷轧步骤中，所述退火的温度为700-1000℃(比如710℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、980℃、995℃)，退火时间为1-2h(1.1h、1.2h、1.4h、1.5h、1.8h、1.9h)；每次所述冷轧的变形量为25-35％(比如26％、28％、30％、32％、34％)。
本发明产品对轧制工艺的要求高，采用本发明的上述工艺可以克服因层数增多和钼层的孔而导致的钼层轧断裂或者钼层内的孔没填充完整造成表面起泡的缺陷，从而得到性能优良的S-CMC复合材料。
在上述制备方法，作为一种优选实施方式，在所述带通孔钼薄原料板的制备步骤中，所述钼薄原料板的厚度为0.1-5mm(比如0.2mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4mm、4.5mm)。
在上述制备方法，无氧铜板层和钼薄板层的厚度比例可以按需要调节，视产品使用要求所需的热膨胀系数和热导率数值而定。总厚度不变的情况下，铜越多，热导率数值越大，热膨胀系数越大。
在上述制备方法，所述带通孔钼薄原料板上的通孔直径越小，间距越小，即板上分布的通孔越密，产品的性能越均匀，但是会增加轧制难度，因此，优选地，所述带通孔钼薄原料板上通孔的直径为3mm以下，相邻列的间距为2-8mm，相邻排的间距为2-8mm。
本发明方法得到的带孔的多层S-CMC材料，每层钼薄板孔中均填充满铜，界面结合强度好，导热性能增强且热膨胀性能均匀，热膨胀系数可以维持在10*10-6/K左右，厚度方向热导率>300w/m·k。该制备方法简单、效率高，适用于大批量生产且材料收得率大。
附图说明
图1是打好通孔的钼薄原料板的局部示意图；
图2是成品中间隔一层无氧铜板的两层钼薄板上孔的相对位置关系图；
图3是实施例1得到的成品五层S-CMC材料的剖面图；
图4是实施例2得到的成品五层S-CMC材料的剖面图。
其中，附图标记说明如下：1、3和5均为无氧铜板层；2和4为钼薄板；6为钼薄板上的通孔及孔中填充的铜。
具体实施方式
为了更加清楚地对本发明的优点和特征进行说明，下面将通过具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例制备的带孔的多层S-CMC材料，参见图3，其厚度为0.95mm，从上至下依次包括无氧铜板层1、第一种钼薄板层2、无氧铜板层3、第二种钼薄板层4、无氧铜板层5，其通过轧制的方式复合在一起，五层的厚度比例为5:1:5:1:5，第一种钼薄板层或第二种钼薄板层上相邻排的通孔为交错设置，即第一排孔与第三排孔对齐，第一排孔与第二排孔交错分布，比如第二排上的第一通孔与第一排上第一个通孔错开不对齐，与第一排上第一和二个通孔之间的位置对齐。第一种钼薄板层或第二种钼薄板层上相邻列的通孔也为交错设置，即第一列孔与第三列孔对齐，第一列孔与第二列孔交错分布，比如第二列上的第一通孔与第一列上第一个通孔错开不对齐，与第一列上第一和二个通孔之间的位置对齐。第一种钼薄板层2和第二种钼薄板层4上均布满通孔6且孔中填满了铜，第一种钼薄板层2和第二种钼薄板层4上位于同一排上的通孔6是交替排列的，而不是对齐的，第一种钼薄板层2和第二种钼薄板层4上位于同一列上的通孔6也是交替排列的，而不是对齐的，参见图2，图上的实线孔为第一种钼薄板上的通孔，图中的虚线孔为第二种钼薄板上的充满铜的孔，比如第二种钼薄板的第一排孔依次分隔的插到第一种钼薄板的第一排的相邻两孔中，第二种钼薄板的第一列孔依次分隔的插到第一种钼薄板的第一列的相邻两孔中，更具体地，第一种钼薄板层第一排第二个通孔位于第二种钼薄板层第一排第一个和第二个通孔之间，第一种钼薄板层第一列第二个通孔位于第二种钼薄板层第一列第一个和第二个通孔之间。
具体制备方法如下：
步骤A：在厚度为0.23mm的钼薄原料板上采用雕刻或冲压的方式打孔，各孔的排布为交错排开的，即相邻排的通孔为交错设置，第一排孔与第三排孔对齐，第一排孔与第二排孔交错分布，通孔的直径为1mm，相邻列的间距为3mm，相邻排的间距为3mm，参见图1，从而得到带通孔钼薄原料板。
步骤B：打磨去除带通孔钼薄原料板上因打孔造成的毛刺。
步骤C：首先在两个带通孔的钼薄原料板之间以及两端面上均叠置长宽略大于带通孔的钼薄原料板的无氧铜原料板，其中无氧铜原料板的厚度为1.5mm；然后采用条状铜片将叠置好的五层材料的周边包覆；之后将其放入加热炉中加热至910℃，保温20min；之后在纯氢气的保护下，于900℃条件下复合热轧1个道次，该道次热轧压下量为18％；再将热轧后的复合板料放回炉中加热至910℃，保温20min；继续第二次热轧复合，于900℃条件下复合热轧2个道次，总热轧压下量为55％。
步骤D：将第二次热轧后的复合板材在850℃退火1.5h，然后进行第一次冷轧，每当变形量达到30％时就再次按照上述退火条件进行退火、冷轧，直至轧到成品厚度0.95mm，裁掉边裂。
采用本实施例方法共制备20件带孔的多层S-CMC材料，抽取其中3件进行热膨胀系数和厚度方向热导率的测定，测定的热膨胀系数为10.2*10-6/K左右，厚度方向热导率为320w/m·k左右，材料利用率为85％。
实施例2
本实施例制备的带孔的多层S-CMC材料，参见图4，其厚度为1mm，从上至下依次包括无氧铜板层1、第一种钼薄板层2、无氧铜板层3、第二种钼薄板层4、无氧铜板层5，其通过轧制的方式复合在一起，五层的厚度比例为3:1:2:1:3，第一种钼薄板层或第二种钼薄板层上相邻排的通孔为交错设置，即第一排孔与第三排孔对齐，第一排孔与第二排孔交错分布，比如第二排上的第一通孔与第一排上第一个通孔错开不对齐。，与第一排上第一和二个通孔之间的位置对齐。第一种钼薄板层或第二种钼薄板层上相邻列的通孔也为交错设置，即第一列孔与第三列孔对齐，第一列孔与第二列孔交错分布，比如第二列上的第一通孔与第一列上第一个通孔错开不对齐，与第一列上第一和二个通孔之间的位置对齐。第一种钼薄板层2和第二种钼薄板层4上均布满通孔6且孔中填满了铜，第一种钼薄板层2和第二种钼薄板层4上位于同一排上的通孔6是交替排列的，而不是对齐的，第一种钼薄板层2和第二种钼薄板层4上位于同一列上的通孔6也是交替排列的，而不是对齐的，参见图2，图上的实线孔为第一种钼薄板上的通孔，图中的虚线孔为第二种钼薄板上的充满铜的孔，比如第二种钼薄板的第一排孔依次分隔的插到第一种钼薄板的第一排的相邻两孔中，第二种钼薄板的第一列孔依次分隔的插到第一种钼薄板的第一列的相邻两孔中，更具体地，第一种钼薄板层第一排第二个通孔位于第二种钼薄板层第一排第一个和第二个通孔之间，第一种钼薄板层第一列第二个通孔位于第二种钼薄板层第一列第一个和第二个通孔之间。
具体制备方法如下：
步骤A：在厚度为0.23mm的钼薄原料板上采用雕刻或冲压的方式打孔，各孔的排布为交错排开的，即相邻排的通孔为交错设置，第一排孔与第三排孔对齐，第一排孔与第二排孔交错分布，通孔的直径为1mm，相邻列的间距为3mm，相邻排的间距为3mm，参见图1，从而得到带通孔钼薄原料板。
步骤B：打磨去除带通孔钼薄原料板上因打孔造成的毛刺。
步骤C：首先在两个带通孔的钼薄原料板之间以及两端面上均叠置长宽略大于带通孔的钼薄原料板的无氧铜原料板，其中无氧铜原料板的厚度为0.8mm；然后采用条状铜片将叠置好的五层材料的周边包覆；之后将其放入加热炉中加热至960℃，保温25min；之后在纯氢气的保护下，于950℃条件下复合热轧1个道次，该道次热轧压下量为22％；再将热轧后的复合板料放回炉中加热至950℃，保温25min；继续第二次热轧复合，于950℃条件下复合热轧2个道次，总热轧压下量为50％。
步骤D：将第二次热轧后的复合板材在900℃退火1h，然后进行第一次冷轧，每当变形量达到30％时就再次按照上述退火条件进行退火、冷轧，直至轧到成品厚度1mm，裁掉边裂。
采用本实施例方法共制备20件带孔的多层S-CMC材料，抽取其中3件进行热膨胀系数和厚度方向热导率的测定，测定的热膨胀系数为9.6*10-6/K左右，厚度方向热导率为305w/m·k左右，材料利用率为86％。
Claims (10)
1.一种带孔的多层S-CMC材料，其特征在于，包括：钼薄板层和无氧铜板层，其中：每两层所述无氧铜板之间均夹持有一层所述钼薄板且通过轧制方式复合在一起，所述钼薄板具有N排M列通孔且通孔中均填满铜，M、N为大于等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的带孔的多层S-CMC材料，其特征在于，所述钼薄板上相邻排的通孔为交错设置，其中第n排通孔与第n+2或第n-2排通孔对齐，第n+1或第n-1排上的某一通孔与第n排上的相应通孔错开，n为1到N中的任一自然数；所述钼薄板上相邻列的通孔为交错设置，其中第m列通孔与第m+2或第m-2列通孔对齐，第m+1或第m-1列上的某一通孔与第m列上的相应通孔错开，m为1到M中的任一自然数。
3.根据权利要求1所述的带孔的多层S-CMC材料，其特征在于，所述带孔的多层S-CMC材料的总层数为5层以上，更优选为5-7层；
所述钼薄板包括第一种钼薄板和第二种钼薄板，其中，所述第一种钼薄板和所述第二种钼薄板之间仅隔一层无氧铜板且所述第一种钼薄板和所述第二种钼薄板上位于同一排的通孔是交替排列的，所述第一种钼薄板和所述第二种钼薄板上位于同一列的通孔也是交替排列的。
4.根据权利要求1所述的带孔的多层S-CMC材料，其特征在于，所述带孔的多层S-CMC材料的厚度为0.5mm-10mm。
5.一种权利要求1-4任一所述的带孔的多层S-CMC材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
带通孔钼薄原料板的制备步骤，在钼薄原料板上制作N排M列通孔，从而得到带通孔的钼薄原料板；
带通孔钼薄原料板的清理步骤，打磨去掉所述带通孔钼薄原料板上的毛刺；
加热及热轧步骤，将无氧铜原料板、所述带通孔钼薄原料板加热，然后按照每两层所述无氧铜原料板之间均夹持有一层所述带通孔钼薄原料板的方式进行热轧复合；
退火及冷轧步骤，将热轧后的复合板材重复进行退火和冷轧处理，直至得到规定厚度的成品S-CMC材料板。
6.根据权利要求5所述的带孔的多层S-CMC材料的制备方法，其特征在于，在所述带通孔钼薄原料板的制备步骤，所述带通孔钼薄原料板上相邻排的通孔为交错设置，其中第n排通孔与第n+2或第n-2排通孔对齐，第n+1或第n-1排上的某一通孔与第n排上的相应通孔错开，n为1到N中的任一自然数；所述带通孔钼薄原料板上相邻列的通孔为交错设置，其中第m列通孔与第m+2或第m-2列通孔对齐，第m+1或第m-1列上的某一通孔与第m列上的相应通孔错开，m为1到M中的任一自然数；优选地，在所述加热及热轧步骤中，所述带通孔钼薄原料板的总层数为2层以上；更优选为2-3层；进一步地，所述带通孔钼薄原料板上通孔的直径为3mm以下，相邻列的间距为2-8mm，相邻排的间距为2-8mm。
7.根据权利要求5所述的带孔的多层S-CMC材料的制备方法，其特征在于，在所述加热及热轧步骤中，所述加热的温度为700-1000℃，加热的时间为0.3-2.5小时。
8.根据权利要求5所述的带孔的多层S-CMC材料的制备方法，其特征在于，在所述加热及热轧步骤中，所述热轧复合分为第一次热轧复合和第二次热轧复合，所述第一次热轧复合的总压下量不大于25％，所述第二次热轧复合的总压下量不小于40％；优选地，所述第一次热轧复合的道次数为1，所述第二次热轧复合的道次数为2；更优选地，在所述加热及热轧步骤中，所述第一次热轧复合和所述第二次热轧复合的始轧温度为700-1000℃，终轧温度为600-900℃；所述第一次热轧复合和第二次热轧复合之间还包括第二次加热处理，第二次加热温度为700-1000℃，第二次加热时间为20-30min。
9.根据权利要求5所述的带孔的多层S-CMC材料的制备方法，其特征在于，在所述加热及热轧步骤中，所述热轧复合是在真空或纯氢气的保护下进行的。
10.根据权利要求5所述的带孔的多层S-CMC材料的制备方法，其特征在于，在所述退火及冷轧步骤中，所述退火的温度为700-1000℃，退火时间为1-2h；每次所述冷轧的变形量为25-35％。
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