CN105755308A - 一种新型高导热金刚石/铝复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层?粗颗粒金刚石/铝复合层?细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2?5μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为20?30μm。本发明还公开了该复合材料的制备方法。该复合材料导热性能优异，耐磨、耐高温性能好，制品表面粗糙度低，可广泛应用于半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件。
Description
技术领域：
本发明涉及复合材料技术领域，具体的涉及一种新型高导热金刚石/铝复合材料。
背景技术：
传统的散热材料如Cu、Al具有较高的热导率，但是热膨胀系数与Si、InP、GaAs等半导体材料相差太大；而Cu-W的密度较大，还不易合成。新型的散热材料如BeO、SiC、AlN属于陶瓷基材料，加工较困难，其中的BeO不但有毒，而且价格高。
CVD法生产的金刚石薄膜具有较高的热导率800～1400W/m·K，较低的热膨胀系数(1.0～2.0)×10-6K-1，但是1cm2的金刚石薄膜要10美元，而且加工较困难。与之相比，金刚石单晶的热导率很高(600～2 200W/m·K，298K)，热膨胀系数很小(0.8×10-6K-1，298K)，而且人造金刚石的成本又在逐渐降低，这就为金刚石与传统的金属散热材料合成新型散热复合材料提供了可能。金刚石/铝复合材料不但具有高热到、低膨胀的特点，而且其密度也远低于其他常用的高导热材料，因此，金刚石/铝复合材料是未来最具潜力的新型热管理材料。
在制备金刚石/铝复合材料过程中，随着金刚石颗粒的增大，复合材料的导热性能逐渐增加，但是制品表面的粗糙度较高，从而在制品与芯片接触表面产生热阻，从而使其散热性能得不到充分的发挥，若金刚石颗粒减小，则制品表面粗糙度降低，但是其导热性能也有所下降。
发明内容：
本发明的目的是提供一种新型高导热金刚石/铝复合材料，其导热系数高，散热性能好，耐磨、耐高温性能好，制品表面粗糙度低，工艺性好。
本发明的另一个目的是提供该新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2-5μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为20-30μm。
作为上述技术方案的优选，所述细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.5-1mm，粗颗粒金刚石/铝复合层的厚度壳根据制品所需厚度调整。
一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，脱模，烘干，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述的粘结剂为石蜡基粘结剂、磷酸盐粘结剂中的一种。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述细颗粒金刚石层的厚度为0.8mm。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述颗粒与粘结剂的质量比为5-10:1。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述冷压的压力为50-80MPa，保压时间为3-6min。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述烘干的温度为100-120℃，时间为2-3h。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述浸渗过程采用压力浸渗工艺或无压浸渗工艺。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用常用工艺制备具有不同颗粒尺寸的金刚石/铝复合材料，制备的材料既具有较高的导热性能，且制品表面的粗糙度又低，从而更好的满足于芯片连接的需要，降低了由于制品与芯片接触表面粗糙度过高而导致的热阻，能够充分发挥材料的优异性能；
(2)本发明制备工艺简单，制得的材料可广泛应用于半导体激光器、微波功率电子等电子封装器件。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.5mm，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为20μm；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，冷压的压力为50MPa，保压3min，脱模，在100℃下，烘干2h，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
实施例2
一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为1mm，所述细颗粒金刚石的粒径大小为5μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为30μm；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，冷压的压力为80MPa，保压6min，脱模，在120℃下，烘干3h，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
实施例3
一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.6mm，所述细颗粒金刚石的粒径大小为3μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为22μm；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，冷压的压力为60MPa，保压4min，脱模，在105℃下，烘干2.2h，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
实施例4
一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.7mm，所述细颗粒金刚石的粒径大小为4μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为24μm；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，冷压的压力为65MPa，保压5min，脱模，在110℃下，烘干2.4h，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
实施例5
一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.8mm，所述细颗粒金刚石的粒径大小为5μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为26μm；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，冷压的压力为70MPa，保压5min，脱模，在115℃下，烘干2.6h，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
实施例6
一种新型高导热金刚石/铝复合材料，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.9mm，所述细颗粒金刚石的粒径大小为5μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为28μm；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与石蜡基粘结剂或磷酸盐粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，冷压的压力为75MPa，保压6min，脱模，在120℃下，烘干2.8h，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
经测试，本发明制得的新型高导热金刚石/铝复合材料的导热系数高达700-750W/m·K，加工成制品后的表面粗糙度Ra为0.3-0.4μm。
Claims (9)
1.一种新型高导热金刚石/铝复合材料，其特征在于，该复合材料是由细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层构成的金刚石/铝粒度梯度复合材料，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2-5μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为20-30μm。
2.如权利要求1所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料，其特征在于，所述细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.5-1mm，粗颗粒金刚石/铝复合层的厚度可根据制品所需厚度调整。
3.如权利要求1或2所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石分别与粘结剂混合；
(2)按照细颗粒金刚石-粗颗粒金刚石-细颗粒金刚石的顺序，将步骤(1)处理后的粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石依次平铺在金属模具中，采用冷压工艺压制，脱模，烘干，制得粒度梯度金刚石预制件；
(3)将熔融的铝或铝合金浸渗入到步骤(2)制得的粒度梯度金刚石预制件中，冷却，脱模，得到新型高导热金刚石/铝复合材料。
4.如权利要求3所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的粘结剂为石蜡基粘结剂、磷酸盐粘结剂中的一种。
5.如权利要求3所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述细颗粒金刚石层的厚度为0.8mm。
6.如权利要求3所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述颗粒与粘结剂的质量比为5-10:1。
7.如权利要求3所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷压的压力为50-80MPa，保压时间为3-6min。
8.如权利要求3所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘干的温度为100-120℃，时间为2-3h。
9.如权利要求3所述的一种新型高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述浸渗过程采用压力浸渗工艺或无压浸渗工艺。
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