CN105924173A - 一种低温常压烧结的导热玻璃/金刚石复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温常压烧结的导热玻璃/金刚石复合材料，其原料组分及其质量百分比含量为12％～24％B‑Si玻璃粉，76％～88％金刚石粉；所述B‑Si玻璃粉的原料组分及其质量百分比含量为45％～65％SiO2，3％～10％Al2O3，20％～40％B2O3，1％～5％Li2O，3％～10％CaO，3％～10％Na2O。先将玻璃原料于高温熔块炉中加热至1300℃，经过充分熔炼、水淬、烘干、研磨、过筛，制得B‑Si玻璃粉，再与金刚石粉混合配料并压制成型后于750℃一步烧结，制得导热玻璃/金刚石复合材料。本发明的材料热导率在3.0‑4.5W/m·K之间，高于普通玻璃Al2O3LTCC基板材料，抗弯强度在62.6‑108.2Mpa之间，满足了LTCC陶瓷材料的应用要求。本发明制备成本低，原料容易获得，操作工序简单，具有巨大的经济和社会效益。

Description

一种低温常压烧结的导热玻璃/金刚石复合材料
技术领域
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种低温常压烧结的高导热玻璃/金刚石复合材料。
背景技术
现代科学技术的发展对材料的要求日益提高，微电子技术、微电路构装技术、功能材料与器件技术的发展，使得目前的材料越来越不能满足应用的要求。在微电子技术领域，电子系统及设备向大规模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。随着电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集性提高，系统热耗散量大幅度增加。因此，研究和开发具有高导热率性能的新型材料就显得尤为重要。
金刚石是一种典型的原子晶体，天然金刚石的热导率可以达到2000W/m·K，是已知的所有物质中最高的。金刚石热容小，热膨胀率低，高温时的散热性能好，高度稳定性好，在室温时不会与酸、碱及其溶液发生化学反应。各方面突出的性能使金刚石呈现出很大的优越性。而单晶金刚石的合成技术复杂，除了低压气相沉积合成技术能够满足尺寸较大的片层状金刚石以外，其他方法只能得到尺寸较小的金刚石颗粒，这极大限制了金刚石在电子封装技术当中的应用。
金刚石复合材料因其超高的热导率和优秀的机械性能，成为散热复合材料领域的新热点。人们正致力于研究和开发新型的金刚石复合材料，部分已在电子封装领域取得了一定进展和应用，这些金刚石材料具备单一材料无法比拟的独特性能，显示出巨大的发展潜力。然而，近几年来金刚石复合材料高导热性应用研究主要集中于高温高压合成金属基金刚石多晶材料。高温高压的工艺对生产设备要求较高，且应用较为局限。
低温共烧陶瓷技术Low temperature cofired ceramincs(LTCC)为电子系统元器件以及模块小型化、轻量化提供了比较好的解决途径，已成为无源集成的主流技术。目前已开发的LTCC基板材料很多，大致可分为两大类，玻璃/陶瓷体系和微晶玻璃体系，而应用较为广泛的为玻璃/Al2O3基板材料。传统的LTCC材料制备条件降低，导热性能较差。刘明，许晓颖，刘缙等于电子元件与材料期刊2014年第8期第33卷第42-45页《碱金属氧化物对硼硅酸盐系玻璃/Al2O3材料性能的影响》一文中报道的硼硅酸盐系玻璃/Al2O3材料的热导率值在0.8-2.7W/m·K之间。刘明，周洪庆，刘敏等于南京工业大学学报2013年第4期第35卷第6-11页《LED封装用玻璃/Al2O3系LTCC基板材料的性能》一文中报道的玻璃/Al2O3LTCC基板材料的热导率值在1.0-2.9W/m·K之间，导热性都不太理想。低熔点玻璃材料在高温下熔融成高温熔体，可以作为金刚石材料的烧结助剂，降低烧结温度和压力，在低温常压下使玻璃/金刚石材料致密化。与其他制备金刚石复合材料的方法相比，利用低熔点玻璃材料作为烧结助剂烧结的方法得到的材料成型性能好，机械强度高，可以与Au、Ag、Cu等低电阻率、低熔点金属低温共烧，在LTCC陶瓷基板应用上有较大潜力。在制备方面，采用低温常压烧成，工艺相对简单，可以大规模生产。
发明内容
本发明的目的，是利用低温常压烧结方法提供一种能够满足LTCC陶瓷材料应用的高导热玻璃/金刚石复合材料。
本发明通过如下技术方案予以实现：
一种低温常压烧结的高导热玻璃/金刚石复合材料，由玻璃粉和金刚石粉末组成，其原料组分及其质量百分比含量为：12％～24％B-Si玻璃粉，76％～88％金刚石粉；
所述玻璃粉为B-Si玻璃粉，其原料组分及其质量百分比含量为：45％～65％SiO2，3％～10％Al2O3，20％～40％B2O3，1％～5％Li2O，3％～10％CaO，3％～10％Na2O。
上述玻璃/金刚石复合材料的制备方法如下：
(1)将45％～65％SiO2，3％～10％Al2O3，20％～40％B2O3，1％～％5Li2O，3％～10％CaO，3％～10％Na2O按比例混合，然后放入高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h进行充分熔炼，水淬，在100℃烘箱中干燥24h后进行研磨，过200目筛，制得B-Si玻璃粉；
(2)将步骤(1)制得的B-Si玻璃粉按12％～24％与76％～88％的金刚石粉混合均匀；
(3)将步骤(2)混合均匀的粉料按照料︰球＝1︰2的质量比混合，球磨8h，得到混合粉体；
(4)将步骤(3)的混合粉体干压成生坯；
(5)将步骤(4)的生坯在如下温度制度下进行一步烧结：
以3℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，继续以3℃/min的升温速率升温至750℃，保温2h，自然冷却至室温，制得玻璃/金刚石复合材料。
所述金刚石粉为3.0～40.0μm的金刚石粉末。
所述步骤(3)的球磨机的转速为600RPM。
本发明提供了一种低温常压烧结的导热玻璃/金刚石复合材料，热导率在3.0-4.5W/m·K之间，抗弯强度在62.6-108.2Mpa之间，满足了LTCC陶瓷材料的应用要求，可以应用在电子封装材料领域。本发明采用常规原料和低温常压烧成法，制备成本低，原料容易获得，操作工序简单，具有巨大的经济和社会效益。
具体实施方
本发明均采用市售分析纯原料，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
按重量百分比称量玻璃粉原料：45％SiO2，7％Al2O3，40％B2O3，2％Li2O，3％CaO，3％Na2O，进行混合。
将混合后的原料放入高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h进行充分熔炼，水淬，再于100℃烘箱中干燥24h后进行研磨，过200目筛，制得B-Si玻璃粉。
按重量百分比称量12％B-Si玻璃粉与88％粒径为3μm的金刚石粉末，进行混合。
将原料按照料︰球＝1:2的质量比混合，于600RPM转速下球磨8h，得到混合粉体。
将上述混合粉体干压成生坯。
将生坯进行烧结：以3℃/min的升温速率升温750℃，保温2h，自然冷却至室温，制得玻璃/金刚石复合材料。
打磨制品至所需尺寸，对其进行性能测试。
实施例1的热导率在3.0-3.2W/m·K之间，抗弯强度在62.6-70.1MPa之间。
实施例2
按重量百分比称量玻璃粉原料：65％SiO2，5％％Al2O3，20％B2O3，3％Li2O，4％CaO，3％Na2O，进行混合。
将混合后的原料放入高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h进行充分熔炼，水淬，再于100℃烘箱中干燥24h后进行研磨，过200目筛，制得B-Si玻璃粉。
按重量百分比称量12％B-Si玻璃粉与88％粒径为30μm的金刚石粉末，进行混合。
将原料按照料︰球＝1:2的质量比混合，于600RPM转速下球磨8h，得到混合粉体。
将上述混合粉体干压成型成生坯。
将生坯进行烧结：以3℃/min的升温速率升温750℃，保温2h，自然冷却至室温，制得玻璃/金刚石复合材料。
打磨制品至所需尺寸，对其进行性能测试。
实施例2的热导率在3.6-3.9W/m·K之间，抗弯强度在98.7-100.2MPa之间。
实施例3
按重量百分比称量玻璃粉原料：65％SiO2，5％％Al2O3，20％B2O3，3％Li2O，4％CaO，3％Na2O，进行混合。
将混合后的原料放入高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h进行充分熔炼，水淬，再于100℃烘箱中干燥24h后进行研磨，过200目筛，制得B-Si玻璃粉。
按重量百分比称量21％B-Si玻璃粉与79％粒径为30μm的金刚石粉末，进行混合。
将原料按照料︰球＝1:2的质量比混合，于600RPM转速下球磨8h，得到混合粉体。
将上述混合粉体干压成型成生坯。
将生坯进行烧结：以3℃/min的升温速率升温750℃，保温2h，自然冷却至室温，制得玻璃/金刚石复合材料。
打磨制品至所需尺寸，对其进行性能测试。
实施例3的热导率在4.3-4.5W/m·K之间，抗弯强度在99.2-108.2MPa之间。
实施例4
按重量百分比称量玻璃粉原料：65％SiO2，5％％Al2O3，20％B2O3，3％Li2O，4％CaO，3％Na2O，进行混合。
将混合后的原料放入高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h进行充分熔炼，水淬，再于100℃烘箱中干燥24h后进行研磨，过200目筛，制得B-Si玻璃粉。
按重量百分比称量24％B-Si玻璃粉与76％粒径为40μm的金刚石粉末，进行混合。
将原料按照料︰球＝1:2的质量比混合，于600RPM转速下球磨8h，得到混合粉体。
将上述混合粉体干压成型成生坯。
将生坯进行烧结：以3℃/min的升温速率升温750℃，保温2h，自然冷却至室温，制得玻璃/金刚石复合材料。
打磨制品至所需尺寸，对其进行性能测试。
实施例4的热导率在3.8-4.1W/m·K之间，抗弯强度在99.2-101.2MPa之间。

Claims (3)

1.一种低温常压烧结的高导热玻璃/金刚石复合材料，由玻璃粉和金刚石粉末组成，其原料组分及其质量百分比含量为：12％～24％B-Si玻璃粉，76％～88％金刚石粉；
所述玻璃粉为B-Si玻璃粉，其原料组分及其质量百分比含量为：45％～65％SiO2，3％～10％Al2O3，20％～40％B2O3，1％～5％Li2O，3％～10％CaO，3％～10％Na2O。
上述玻璃/金刚石复合材料的制备方法如下：
(1)将45％～65％SiO2，3％～10％Al2O3，20％～40％B2O3，1％～％5Li2O，3％～10％CaO，3％～10％Na2O按比例混合，然后放入高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h进行充分熔炼，水淬，在100℃烘箱中干燥24h后进行研磨，过200目筛，制得B-Si玻璃粉；
(2)将步骤(1)制得的B-Si玻璃粉按12％～24％与76％～88％的金刚石粉混合均匀；
(3)将步骤(2)混合均匀的粉料按照料︰球＝1︰2的质量比混合，球磨8h，得到混合粉体；
(4)将步骤(3)的混合粉体干压成生坯；
(5)将步骤(4)的生坯在如下温度制度下进行一步烧结：
以3℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，继续以3℃/min的升温速率升温至750℃，保温2h，自然冷却至室温，制得玻璃/金刚石复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种低温常压烧结的高导热玻璃/金刚石复合材料，其特征在于，所述金刚石粉为3.0～40.0μm的金刚石粉末。
3.根据权利要求1所述的一种低温常压烧结的高导热玻璃/金刚石复合材料，其特征在于，所述步骤(3)的球磨机的转速为600RPM。
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