CN106381432A - 一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法，选用钨粉或者钛粉对金刚石粉进行预处理，以在金刚石的表面形成W‑C或Ti‑C键。再利用球磨工艺将预处理后的金刚石粉与其他金属结合，经过烧结制得金刚石/多金属颗粒混合体材料，即本发明的一种高导热金刚石/多金属复合材料，解决了现有电子器件的散热难以满足要求的问题。

Description

一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法

【技术领域】

本发明属于热沉材料技术领域，具体涉及一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法。

【背景技术】

现代电子工业发展迅速，电子器件面积越来越小，功能集成越来越多，这一趋势导致电子产品对于散热的要求越来越高。尤其是近年来以氮化镓、碳化硅及金刚石为代表的第三代半导体材料的发展，第三代半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、载流子的饱和漂移速率以及迁移率大，介电常数非常小等特点，在高频、高压、高功率等领域具有非常广阔的前景，而这些领域的电子器件对于散热的要求更为严苛。因此电子产品卓越的性能和稳定的可靠性越来越依赖于高导热性能的热沉材料，因此迫切需要研究出新的热沉材料来适应电子产品的要求。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法，以解决现有电子器件难以满足散热要求的问题。

本发明采用以下技术方案：一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，选用钨粉或者钛粉对金刚石粉进行预处理，以在金刚石的表面形成W-C或Ti-C键，再利用球磨工艺将预处理后的金刚石粉与其他金属结合，以制得金刚石/多金属混合颗粒，即本发明的一种高导热金刚石/多金属复合材料。

进一步的，按照以下步骤实施：

步骤一、清洁金刚石粉表面吸附的杂质，并将其烘干；

步骤二、按体积分数量取所需的金刚石粉和金属颗粒，其中金刚石所占体积分数为5％—90％；

步骤三、选用钨粉或者钛粉，对步骤二中量取的金刚石粉进行球磨；

步骤四、对经步骤三球磨混合后得到的金刚石粉进行退火处理；

步骤五、将经步骤四退火处理后的金刚石粉，和步骤二中选取的金属颗粒球磨混合得到混合粉末；

步骤六、将经步骤五球磨得到的混合粉末置于真空烘箱中烘干；

步骤七、将经步骤六烘干的混合粉末烧结成致密材料，即得到本发明的一种高导热金刚石/多金属复合材料。

进一步的，步骤一中，将金刚石粉在80℃条件下，依次采用王水、氢氧化钠溶液分别清洗半个小时，再通过去离子水清洁，然后烘干。

进一步的，步骤二中，选取的金属颗粒为以下三种多金属粉中的任意一种：a)铜粉和铝粉；b)铜粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒；或c)铜粉、铝粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒。

进一步的，步骤二中选取的金刚石粉末颗粒直径≤200μm，金属颗粒的直径≤200μm；所述步骤三中球磨的钨颗粒和钛颗粒的直径≤200μm。

进一步的，步骤三中，钨粉或钛粉体积分数不超过金刚石的5-30％。

进一步的，步骤六中的真空烘箱的温度为100℃-150℃。

进一步的，步骤七中，当混合粉末中的金属颗粒为铜粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒，或铜粉、铝粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒时，将混合粉末涂于需导热的物质表面，并低温烧结成金刚石/多金属复合材料。

进一步的，步骤七中，当混合粉末中的金属颗粒为铜粉和铝粉时，则将经步骤六烘干的混合粉末放入模具中，采用高温高压烧结的方法将混合粉末烧结成致密材料，并加工成模具对应的形状。

本发明的有益效果是：利用金刚石高导热的特点，将金刚石粉末和金属粉末制备成体材料；采用将钨或钛粉与金刚石球磨混合退火形成W-C或Ti-C界面的方法，降低了工艺难度，同时W-C或Ti-C共晶界面的形成加强了不同颗粒间的结合度；在金属中通过添加多种金属人提高金属颗粒之间的结合度，以提高复合材料性能；尤其是在锡粉和低熔点锡合金颗粒的加入，使得金刚石/多金属复合材料能够通过低温烧结完成，而烧结完成后由于铜锡共晶的形成使得材料耐温相比烧结温度更高，无需模具直接烧结成型的工艺适用于不同材料导热界面焊接，而当前少有热沉材料能够采用焊接方法进行应用，该发明能够极大满足适合当前电子封装领域导热的需求。

【附图说明】

图1是本发明一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法利用高温高压烧结方法通过模具将混合粉末加工成致密材料的示意图；

图2是本发明一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法采用低温烧结方法加工混合粉末的示意图。

图中，101.烧结模具，102.金属颗粒，103.金刚石颗粒，104.需导热物质，106.铜粉或铝粉，其中，图1和图2中铜粉和铝粉并未作区别标记；107.锡粉或低熔点锡合金颗粒，其中，图1中锡粉或低熔点锡合金颗粒并未作区别标记。

【具体实施方式】

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种高导热金刚石/多金属复合材料制备方法，经球磨和退火处理的金刚石粉保证金刚石和金属结合牢固，利用球磨工艺对加工过的金刚石粉和金属颗粒进行充分混合，制得金刚石/多金属混合颗粒，然后采用高温高压烧结方法以及需求加工的模具将混合粉末加工成复合块状材料，或低温烧结将粉末转变为金刚石/多金属一体的材料，最终获得适用于热沉的高导热复合材料。

金刚石粉末可以是天然金刚石，也可以是人造金刚石，金刚石粉末颗粒直径尺寸≤2200μm；金属颗粒的直径≤200μm；球磨的钨颗粒和钛颗粒的直径≤200μm，上述的尺寸范围可以保证材料烧结强度。

锡金属粉末可为高纯度锡粉或锡合金粉末，低熔点锡合金颗粒即为Cu-Sn共晶IMC颗粒。其他金属粉末必须是高纯度的金属粉末，铜或铝金属颗粒表面可有几十纳米厚度的抗氧化层，金属粉末颗粒直径尺寸应不大于200μm。

步骤一、将金刚石粉进行清洗和烘干。这里提供一种清洁和烘干的方法，但并不限于该方法：将金刚石粉依次并分别放入加热的王水、氢氧化钠溶液中，以除去金刚石粉末表面的杂质，经去离子水洗净后采用真空烘箱烘干。其中，金刚石粉末颗粒直径尺寸≤200μm；王水和氢氧化钠溶液的温度为80℃，金刚石粉放入王水和氢氧化钠溶液的时长均为30分钟。

步骤二、量取金刚石粉和金属颗粒，其中金刚石粉所占体积分数范围为5％—90％。

上述金属颗粒可以为以下三种多金属粉中的任意一种：

a)铜粉和铝粉；b)铜粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒；c)铜粉、铝粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒。

1)当混合粉末中的金属颗粒为铜粉和铝粉，在铜粉中加入铝粉以增强铜粉和金刚石颗粒之间的结合，铝粉体积分数不超过50％；

2)当混合粉末中的金属颗粒为铜粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒，或铜粉、铝粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒时，加入的锡粉和低熔点锡合金颗粒可以用来促进金属颗粒间的结合，并降低烧结温度。当烧结温度要求较低时，可以提高锡粉和低熔点锡合金颗粒所占的比例。

步骤三、将量取好的金刚石粉与少量钨粉或者钛粉进行球磨，球磨混合后得到的金刚石粉表面被钨或者钛包裹，其中，钨颗粒和钛颗粒直径尺寸不大于200μm，钨粉或钛粉体积分数不超过金刚石的5-30％。

步骤四、对经步骤三球磨混合后得到的金刚石粉进行退火，退火的保护气氛可以是氮气，退火后就获得热沉材料所需的金刚石粉。退火后，金刚石颗粒表面将会形成W-C或Ti-C界面，在与其他金属混合烧结过程中能够形成牢固的共晶界面。表面覆盖钨或者钛的金刚石粉，经过退火处理后，表面形成牢固的W-C键或Ti-C键，保证了金刚石在复合材料中的结合度。

步骤五、将经步骤四退火处理后的金刚石粉，和步骤二中选取的金属颗粒。利用机械混合的方法，采用球磨机球磨工艺，混合介质采用酒精，将金刚石粉103和金属颗粒102混合均匀得到混合粉末。

步骤六、将混合粉末放入真空烘箱烘干。粉末烘干采用真空烘箱防止物料氧化，烘箱温度为100℃-150℃。

步骤七、将经步骤六烘干的混合粉末烧结成致密材料，即得到本发明的一种高导热金刚石/多金属复合材料。烧结的具体方法有以下两种：

1)如图1所示，当混合粉末中的金属颗粒为铜粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒，或铜粉、铝粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒时，材料复合过程可以不采用模具，而将混合粉末涂于需导热物质104的表面并进行低温烧结。低温烧结的具体过程为：在氮气保护气氛下，将混合粉末加热至200-250℃以上，其中锡和铜进一步结合形成低熔点锡合金颗粒107，并熔化包裹金刚石颗粒103以及铜粉和铝粉上，待冷却后混和粉末熔为一体制得本发明的一种高导热金刚石/多金属复合材料。

最终复合材料熔点高于锡熔点，这种加工方法所得导热材料可应用于需要导热的界面，并且最终复合材料耐热温度可高达500℃。

2)如图2所示，当混合粉末中的金属颗粒为铜粉和铝粉时，则将经步骤六烘干的混合粉末放入烧结模具101中，采用烧结的方法将混合粉末烧结成致密材料，并加工成所需形状。模具的形状依照需导热的物质的外形对应设计。

实施例1

取平均粒径为100μm且清洁过的金刚石粉，和占金刚石体积分数10％、平均粒径20μm的钨粉进行球磨，球磨后然后进行退火处理，便获得所需的经预处理过的金刚石粉。

将加工过的金刚石粉和平均粒径为100μm的铜粉、铝粉采用球磨工艺混合，其中加工过的金刚石体积百分比为60％，铜粉体积百分比38％，铝粉体积百分比为2％。混合均匀烘干后，放入模具，在温度900℃、压力6GPa下进行高温烧结，时长10分钟，最终制得金刚石/铜铝钨复合导热材料。

实施例2

将平均粒径都是5μm且清洁过的金刚石粉，和占金刚石体积分数10％、平均粒径为1μm的钛粉进行球磨，完成后进行退火处理，获得所需的经预处理过的金刚石粉。将加工过的金刚石粉和平均粒径为5μm的铜粉、锡粉、低熔点锡合金颗粒采用球磨工艺混合，其中加工过的金刚石体积百分比为15％，铜粉体积百分比30％，锡粉体积百分比为19％，低熔点锡合金颗粒体积百分比36％。混合均匀烘干后，用于所需散热界面，氮气保护下加热温度到200℃-250℃，时长3分钟，即可制得金刚石/铜锡复合导热材料，并且最终材料耐热温度可高达500℃。

本发明中金刚石颗粒与钨或钛可形成W-C键或者Ti-C键的牢固结合，制得所需金刚石颗粒103，然后将金刚石颗粒103和金属颗粒102表面，采用球磨工艺将金刚石颗粒103和金属颗粒102机械混合均匀；采用烧结方法，使得金属颗粒102和金刚石颗粒103充分结合，形成体材料，制得金刚石/多金属复合热沉材料。

在工艺中采用将钨或钛粉与金刚石球磨混合退火形成W-C或Ti-C界面的方法，降低了金刚石颗粒与其它金属颗粒混合烧结的工艺难度。在金属中通过添加多种金属来提高金属颗粒之间的结合度，进而提高复合材料性能。尤其是锡粉和低熔点锡合金颗粒的加入，使得金刚石/多金属复合材料能够通过低温烧结完成，而烧结完成后耐温提高，无需模具直接烧结成型的工艺适用于不同材料导热界面焊接，非常适合当前电子封装领域导热的需求。

制备热沉材料用金刚石粉经过钨或钛球磨后退火处理，表面形成W-C或Ti-C键，然后与其他金属结合通过钨或钛形成合金，保证了金刚石和其他金属颗粒的充分结合，复合材料导热性能得以提高，相较传统工艺降低了工艺难度。金属全部采用粉末，易于加工过程中含量的控制，提高了复合材料适用范围。更为重要的是，当添加了锡粉和低熔点锡合金颗粒后，利用了铜和锡两种金属可在较低温度下进行烧结，而烧结形成Cu-Sn共晶界面的复合材料熔点得到提高，耐温性能提高，无需模具直接烧结成型，从而使金刚石/多金属复合材料的使用和焊接工艺相同，使材料大范围应用成为可能。

Claims (9)

1.一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，选用钨粉或者钛粉对金刚石粉进行预处理，以在金刚石的表面形成W-C或Ti-C键，再利用球磨工艺将预处理后的金刚石粉与其他金属结合，以制得金刚石/多金属混合颗粒，即本发明的一种高导热金刚石/多金属复合材料。

2.如权利要求1所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤一、清洁金刚石粉表面吸附的杂质，并将其烘干；

步骤二、按体积分数量取所需的金刚石粉和金属颗粒，其中金刚石所占体积分数为5％—90％；

步骤三、选用钨粉或者钛粉，对步骤二中量取的金刚石粉进行球磨；

步骤四、对经步骤三球磨混合后得到的金刚石粉进行退火处理；

步骤五、将经步骤四退火处理后的金刚石粉，和步骤二中选取的金属颗粒球磨混合得到混合粉末；

步骤六、将经步骤五球磨得到的混合粉末置于真空烘箱中烘干；

步骤七、将经步骤六烘干的混合粉末烧结成致密材料，即得到本发明的一种高导热金刚石/多金属复合材料。

3.如权利要求2所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，将金刚石粉在80℃条件下，依次采用王水、氢氧化钠溶液分别清洗半个小时，再通过去离子水清洁，然后烘干。

4.如权利要求2所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，选取的金属颗粒为以下三种多金属粉中的任意一种：a)铜粉和铝粉；b)铜粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒；或c)铜粉、铝粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒。

5.如权利要求4所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中选取的金刚石粉末颗粒直径≤200μm，金属颗粒的直径≤200μm；所述步骤三中球磨的钨颗粒和钛颗粒的直径≤200μm。

6.如权利要求2所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，钨粉或钛粉体积分数不超过金刚石的5-30％。

7.如权利要求2所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的真空烘箱的温度为100℃-150℃。

8.如权利要求2所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤七中，当混合粉末中的金属颗粒为铜粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒，或铜粉、铝粉、锡粉和低熔点锡合金颗粒时，将混合粉末涂于需导热的物质表面，并低温烧结成金刚石/多金属复合材料。

9.如权利要求2所述的一种高导热金刚石/多金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤七中，当混合粉末中的金属颗粒为铜粉和铝粉时，则将经步骤六烘干的混合粉末放入模具中，采用高温高压烧结的方法将混合粉末烧结成致密材料，并加工成模具对应的形状。