CN105774130B - 一种高导热高气密性复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高导热高气密性复合材料及其制备方法，属于电子封装技术领域。该复合材料具有金属‑高导热复合材料‑金属的三明治结构，高导热复合材料为非金属颗粒或纤维增强的金属基复合材料，金属层为纯金属或合金。本发明采用真空压力浸渗技术在高导热复合材料的上下表面预留金属层制备得到三明治结构的复合材料，除具有高导热、低热膨胀系数、高强度、良好的尺寸稳定性能外，还具有高气密性、良好的加工性能等性质。本发明的高导热高气密性复合材料解决了高导热复合材料在特定封装性能要求的应用场合的高气密性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高导热高气密性复合材料及其制备方法，属于电子封装技术领域。
背景技术
功率管外壳是基于高温共烧陶瓷工艺制作的多层陶瓷外壳，在制作过程中需要将金属热沉与陶瓷框钎焊在一起，后续还要经过电镀镍金工艺，以提高外壳的抗腐蚀性。因此，在选择功率管外壳的热沉材料时，除了考虑材料的散热性能以外，还要考虑材料的气密性，高导热、低膨胀、高气密性的材料才能满足未来第三代宽禁带半导体芯片封装的要求。
功率管外壳最早采用粉末冶金工艺制作的钨铜或者钼铜作为热沉材料，通过调节主相和增强相的比例，可将其热膨胀系数调节至氧化铝陶瓷最为接近，使外壳钎焊后残余应力小，陶瓷框不容易产生裂纹，能够满足电子元器件的气密性要求和环境适应性要求。但钨铜和钼铜的热导率最初仅为160W/Mk左右，后来经过改进和提高，现最高可达到190W/mK左右，已接近其理论值，再想提高受到限制，不能满足大功率高热流密度器件的散热要求，需要开发导热性能更好的热沉材料。
发明内容
本发明为了解决高导热、高气密性功率管外壳的要求，提出了一种三明治结构的高导热、高气密性复合材料的制备方法。金属-非金属/金属复合材料-金属三明治结构的高导热复合材料，可以通过调节材料中金属层和复合材料层的厚度比在材料热导率和热膨胀系数之间寻求折中。由于高导热复合材料的热导率可以高达600W/mK，其上的金属的热导率也很高，芯片焊接在表面的金属之上可以将热很快地横向铺展开，使材料的整体热导率达到450W/mK。
一种高导热高气密性复合材料，具有金属-高导热复合材料-金属的三明治结构，所述的高导热复合材料为非金属颗粒或纤维增强的金属基复合材料，金属层为纯金属或合金。
所述的高导热复合材料为金刚石、SiC和或碳纤维增强的铜、铝或银的复合材料，具体为：金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银、碳纤维混杂SiC颗粒/银以及其他颗粒或纤维增强铜、铝、银的高导热、低膨胀的复合材料。
所述的高导热复合材料中，增强颗粒或纤维的体积分数为25％～70％。
所述的金属层为铜、铝、银或其合金。
高导热复合材料的厚度为0.5mm～10mm，每个金属层的厚度范围为0.1μm～10mm。
本发明采用真空压力浸渗技术在高导热复合材料的上下表面预留金属层制备而得到三明治结构的复合材料。三明治结构的复合材料为金属-非金属/金属复合材料-金属三明治结构的复合材料。
一种三明治结构的高导热高气密性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)熔炼金属，轧制成板状，得到金属层；
2)将金属层放置在高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料预制体，所述的预制体为非金属颗粒或纤维预制体；
3)熔炼高导热复合材料所需的金属，采用压力浸渗方法制备得到高导热复合材料；
4)在压力浸渗金属液时在预制体之上预留金属层；
5)去除高强度石墨模具，得到金属-非金属/金属复合材料-金属三明治结构的高导热、高气密性复合材料。
上述方法中，所述的金属层采用的金属为铜、铝、银或其合金，金属层的厚度范围为0.1μm～10mm。
上述方法中，所述的高导热复合材料预制体为金刚石颗粒预制体、碳纤维预制体、SiC颗粒预制体、金刚石混杂SiC颗粒预制体或碳纤维混杂SiC颗粒预制体；颗粒或纤维在高导热复合材料中的体积分数为25％～70％。所述的预制体的厚度为0.5mm～10mm。
上述方法中，高导热复合材料所需的金属为铜、铝或银；所述的高导热复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银、碳纤维混杂SiC颗粒/银以及其他颗粒或纤维增强铜、铝、银的高导热、低膨胀的复合材料。
上述方法中，预留金属层厚度为0.1μm～10mm。
本发明通过在高导热复合材料上下表面残留金属层得到金属-非金属/金属复合材料-金属三明治结构的复合材料，该复合材料除具有高导热、低热膨胀系数、高强度、良好的尺寸稳定性能外，还具有高气密性、良好的加工性能等性质。本发明中的高导热、高气密性三明治结构的复合材料解决了电子封装材料在保持良好散热特性的基础上，对气密性的需求。本发明中的高导热、高气密性三明治结构的复合材料解决了高导热复合材料在封装组件中的高气密性的问题，适用于功率管外壳等。
具体实施方式
本发明的高导热高气密性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：熔炼金属，金属为铜、铝、银或其合金，再轧制成板状，厚度为0.1μm～10mm；
步骤二：将金属层放置在高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料预制体，预制体为金刚石颗粒预制体、碳纤维预制体、SiC颗粒预制体、金刚石混杂SiC颗粒预制体或碳纤维混杂SiC颗粒预制体，颗粒或纤维的体积分数为25％～70％，预制体的厚度为0.5mm～10mm；
步骤三：采用压力浸渗制备方法制备高导热复合材料，高导热复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银、碳纤维混杂SiC颗粒/银以及其他颗粒或纤维增强铜、铝、银的高导热、低膨胀的复合材料。
步骤四：在压力浸渗金属液时在预制体之上预留金属层，预留金属层厚度为0.1μm～10mm；
步骤五：去除高强度石墨模具，得到金属-非金属/金属复合材料-金属三明治结构的高导热、高气密性复合材料。
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
高导热高气密性复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一：熔炼铜，将其加工成的圆片，一般而言，金属层的形状不设定，且不限于任何厚度。
步骤二：将铜片放置在的高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料的金刚石颗粒预制体，体积分数为65％，厚度为2mm；
步骤三：熔炼铜，采用压力浸渗制备方法制备得到高导热金刚石/铜复合材料；
步骤四：在压力浸渗铜液时在预制体之上预留铜层，厚度为1mm；
步骤五：去除高强度石墨模具，得到铜-金刚石/铜-铜三明治结构复合材料，室温热导率为520W/m·K，气密性为6×10-4Pa·cm3/s。
实施例2
高导热高气密性复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一：熔炼铜，将其加工成的圆片，一般而言，金属层的形状不设定，且不限于任何厚度。
步骤二：将铜片放置在的高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料的金刚石颗粒预制体，体积分数为70％，厚度为2mm；
步骤三：熔炼铜，采用压力浸渗制备方法制备高导热金刚石/铜复合材料。
步骤四：在压力浸渗铜液时在预制体之上预留铜层，厚度为2mm；
步骤五：去除高强度石墨模具，得到铜-金刚石/铜-铜三明治结构复合材料，室温热导率为480W/m·K，气密性为1×10-4Pa·cm3/s。
实施例3
高导热高气密性复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一：熔炼铝，将其加工成的圆片，一般而言，金属层的形状不设定，且不限于任何厚度。
步骤二：将铝片放置在的高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料的金刚石颗粒预制体，体积分数为60％，厚度为3mm；
步骤三：熔炼铝，采用压力浸渗制备方法制备高导热金刚石/铝复合材料。
步骤四：在压力浸渗铝液时在预制体之上预留铝层，厚度为0.5mm；
步骤五：去除高强度石墨模具，得到铝-金刚石/铝-铝三明治结构复合材料，室温热导率为350W/m·K，气密性为8×10-4Pa·cm3/s。
实施例4
高导热高气密性复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一：熔炼铜，将其加工成的圆片，一般而言，金属层的形状不设定，且不限于任何厚度。
步骤二：将铜片放置在的高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料的金刚石混杂碳化硅颗粒预制体，体积分数为65％，厚度为2.5mm；
步骤三：熔炼铜，采用压力浸渗制备方法制备高导热金刚石/铜复合材料。
步骤四：在压力浸渗铜液时在预制体之上预留铜层，厚度为1mm；
步骤五：去除高强度石墨模具，得到铜-金刚石混杂碳化硅/铜-铜三明治结构复合材料，室温热导率为405W/m·K，气密性为5×10-4Pa·cm3/s。
实施例5
高导热高气密性复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一：熔炼铝，将其加工成的圆片，一般而言，金属层的形状不设定，且不限于任何厚度。
步骤二：将铝片放置在的高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料的SiC颗粒预制体，体积分数为65％，厚度为2.5mm；
步骤三：熔炼铝，采用压力浸渗制备方法制备高导热SiC/铝复合材料。
步骤四：在压力浸渗铝液时在预制体之上预留铝层，厚度为0.5mm；
步骤五：去除高强度石墨模具，得到铝-SiC/铝-铝三明治结构复合材料，室温热导率为183W/m·K，气密性为7×10-4Pa·cm3/s。
本发明采用真空压力浸渗技术在高导热复合材料的上、下表面预留金属层制备而成的三明治结构的复合材料，除具有高导热、低热膨胀系数、高强度、良好的尺寸稳定性能外，还具有高气密性、良好的加工性能等性质。本发明的高导热、高气密性复合材料解决了高导热复合材料在特定封装性能要求的应用场合的高气密性的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种高导热高气密性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)熔炼金属，轧制成板状，得到金属层，金属层采用的金属为铜、铝、银或其合金，金属层的厚度为0.1μm～10mm；
2)将金属层放置在高强度石墨模具中，在其上压制高导热复合材料预制体，所述的预制体为金刚石颗粒预制体、碳纤维预制体、SiC颗粒预制体、金刚石混杂SiC颗粒预制体或碳纤维混杂SiC颗粒预制体，预制体的厚度为0.5mm～10mm；
3)熔炼高导热复合材料所需的金属，采用压力浸渗方法制备得到高导热复合材料；高导热复合材料所需的金属为铜、铝或银；
4)在压力浸渗金属液时在预制体之上预留金属层，预留金属层厚度为0.1μm～10mm；
5)去除高强度石墨模具，得到金属-非金属/金属复合材料-金属三明治结构的高导热、高气密性复合材料。
2.根据权利要求1所述的高导热高气密性复合材料的制备方法，其特征在于：所述的高导热复合材料预制体中，颗粒或纤维在高导热复合材料中的体积分数为25％～70％。
3.根据权利要求1所述的高导热高气密性复合材料的制备方法，其特征在于：所述的高导热复合材料为金刚石/铜、碳纤维/铜、金刚石混杂SiC颗粒/铜、碳纤维混杂SiC颗粒/铜、金刚石/铝、SiC/铝、金刚石混杂SiC颗粒/铝、碳纤维混杂SiC颗粒/铝、金刚石/银、SiC/银、金刚石混杂SiC颗粒/银、碳纤维/银或碳纤维混杂SiC颗粒/银。
4.一种高导热高气密性复合材料，其特征在于：该复合材料具有金属-高导热复合材料-金属的三明治结构，采用权利要求1-3中任一项所述的方法制备得到。
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