CN107267834B - 一种铜-电气石复合散热材料及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜‑电气石复合散热材料及制备方法和应用，其制备方法为，将电气石粉末与铜粉末混合均匀得到混合粉末，将混合粉末置于粉末冶金模具中进行压块，将压块后的物料进行真空烧结，烧结后即得铜‑电气石复合散热材料，其中，所述混合粉末中质量分数50％～95％的粉末为电气石粉末，余量为铜粉末。该方法工艺简单、成本较低，制备的散热材料具有优良的散热性能。
Description
技术领域
本发明是针对电子封装芯片的散热问题，属于封装散热技术领域，具体涉及一种铜-电气石复合散热材料及制备方法和应用。
背景技术
电子封装材料用于承载电子元器件及其连接线路，封装对芯片具有机械支撑和环境保护作用，对电路的热性能和可靠性起到重要作用。随着信息化时代的迅速发展，对现代电子元器件集成度和运行速度的要求越来越高，相应功耗也越来越大，这必然会导致电路发热量的提高，从而使工作温度不断上升。电子封装材料按照材料组分，可分为金属电子封装材料、塑料电子封装材料、陶瓷电子封装材料。
陶瓷电子封装材料的优点是：1.低介电常数，高频性能好；2.可靠性高；3.强度高，热稳定性好；4.高导热率；5.气密性好，化学性能稳定；6.耐湿性好等。
塑料电子封装材料成本低、工艺简单，是实现电子产品小型化、轻量化和低成本的一类重要电子封装材料。
金属电子封装材料最早应用于电子封装中，因为其热导率和强度较高、加工性能较好，相对于其他两种电子封装材料，能够更好的适用电路发热量更高的封装环境。
而传统的金属电子封装材料由于具有一些不可避免的问题，如密度大、散热性差、价格昂贵、具有毒性等缺点，己经不能满足电子封装的发展要求，因此开发低成本、低膨胀、高散热、可靠性高的电子封装材料已成为当务之急。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种铜-电气石复合散热材料的制备方法，该方法工艺简单、成本较低，制备的散热材料具有优良的散热性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种铜-电气石复合散热材料的制备方法，将电气石粉末与铜粉末混合均匀得到混合粉末，将混合粉末置于粉末冶金模具中进行压块，将压块后的物料进行真空烧结，烧结后即得铜-电气石复合散热材料，其中，所述混合粉末中质量分数50％～95％的粉末为电气石粉末，余量为铜粉末。
本发明采用电气石具有较高的红外线发射散热性能，通过利用铜粉末将电气石粉末粘结成具有一定机械强度的板材，铜粉末作为粘结剂不仅能够提高电气石粉制备板材的机械强度，而且增强了电气石的散热性能。
由于制成的散热材料中含有50％～95％的电气石，导致其加工性能降低，本发明采用模板能够直接将散热材料制备成目标板材，防止二次加工对材料产生的破坏。
烧结温度较高，铜在高温下容易氧化，为了防止铜在烧结时被氧化，本发明采用真空烧结，采用真空烧结，不仅使物料处于真空条件，而且能够将附着在物料上的空气去除，从而完全防止铜的氧化。
本发明的目的之二是提供一种上述制备方法制备的铜-电气石复合散热材料。该散热材料与传统金属电子封装材料相比，成本低、散热性能高、可靠性高。
本发明的目的之三是提供一种上述散热材料电子封装芯片中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明的制备工艺简单，效率高，能耗低，所制得的复合材料具有高出紫铜的1～2倍的散热性，材料散热性能优良，并具有较高机械强度。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在传统金属电子封装材料密度大、散热性差、价格昂贵等不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种铜-电气石复合散热材料的制备方法。
本申请的一种典型实施方式，提供了一种铜-电气石复合散热材料的制备方法，将电气石粉末与铜粉末混合均匀得到混合粉末，将混合粉末置于粉末冶金模具中进行压块，将压块后的物料进行真空烧结，烧结后即得铜-电气石复合散热材料，其中，所述混合粉末中质量分数50％～95％的粉末为电气石粉末，余量为铜粉末。
本发明采用电气石具有较高的红外线发射散热性能，通过利用铜粉末将电气石粉末粘结成具有一定机械强度的板材，铜粉末作为粘结剂不仅能够提高电气石粉制备板材的机械强度，而且增强了电气石的散热性能。
由于制成的散热材料中含有50％～95％的电气石，导致其加工性能降低，本发明采用模板能够直接将散热材料制备成目标板材，防止二次加工对材料产生的破坏。
烧结温度较高，铜在高温下容易氧化，为了防止铜在烧结时被氧化，本发明采用真空烧结，采用真空烧结，不仅使物料处于真空条件，而且能够将附着在物料上的空气去除，从而完全防止铜的氧化。
由于铜粉成本较高，为了进一步降低复合散热材料的成本，优选的，所述混合粉末中质量分数80％～95％的粉末为电气石粉末，余量为铜粉末。
优选的，所述压块的施加载荷为40～50KN。
优选的，所述压块的载荷时间为30～60s。
为了防止压块后的物料散落，优选的，将压块后的物料与粉末冶金模具一起进行真空烧结。
为了防止铜熔化沾到模具上，使得模具不能重复利用，优选的，先在粉末冶金模具内铺一层碳纸，然后将混合粉末置于粉末冶金模具中。
优选的，所述烧结温度为800～1000℃。当温度低于800℃时，制备的散热材料强度较低，无法应用于电子封装芯片，当温度高于1000℃时，使得电气石的晶体结构发生改变，从而降低了散热材料的散热性能。
优选的，所述烧结时间为5～10min。
优选的，采用真空高频感应炉进行真空烧结。
本申请还提供了一种上述制备方法制备的铜-电气石复合散热材料。该散热材料与传统金属电子封装材料相比，成本低、散热性能高、可靠性高。
本申请还提供了一种上述散热材料电子封装芯片中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。
实施例1
按电气石90％、铜10％的质量分数称取粉末，使用YXQM型行星式球磨机对粉末进行搅拌处理，使其混合均匀，将混料放到粉末冶金模具中进行压块(模具中放入粉末前在下模中铺一层耐高温碳纸，目的是防止后续烧结时，铜熔化沾到模具上，使得模具不能重复利用)，施加大小为45KN的载荷，保持30s。压块后将上下模具用螺栓螺母连接，然后把模具放到真空高频感应炉中进行烧结，烧结温度1000℃,保持10min，制得铜-电气石复合散热材料。对电气石质量分数90％、铜质量分数10％的铜-电气石复合散热材料与紫铜板进行散热性对比，将紫铜加工成与铜-电气石复合散热材料相同的尺寸，然后对两者加热到34℃后，立即放置在室温环境(20℃)中进行降温，使用秒表记录降温到30℃时二者所用时间，比较两者的散热性。所用温度测量仪器为欣宝测温仪DM6801B数字温度表和测温仪传感器WRNM-201。表1为电气石质量分数90％、铜质量分数10％的铜-电气石复合散热材料降温时间表，表2紫铜板降温时间表。
表1电气石质量分数90％、铜质量分数10％的铜-电气石复合散热材料降温时间表
表2紫铜板降温时间表
由表1及表2可知，从34℃降温到30℃，电气石质量分数90％、铜质量分数10％的铜-电气石复合散热材料所用时间为42.2s，紫铜所用时间为107.46s，即电气石质量分数90％、铜质量分数10％的铜-电气石复合散热材料的散热性是紫铜的2.5倍，也就是说电气石质量分数90％、铜质量分数10％的铜-电气石复合散热材料具有高出紫铜1.5倍的散热性。同时制备的电气石质量分数90％、铜质量分数10％的铜-电气石复合散热材料不易碎裂，具有较高的机械强度。
实施例2
本实施例与实施例1的制备方法相同，不同之处在于，本实施例中电气石质量分数80％、铜质量分数20％。本实施例制备的铜-电气石复合散热材料的散热性与实施例1的散热性相似，具有比实施例1制备的复合散热材料更高的机械强度。
实施例3
本实施例与实施例1的制备方法相同，不同之处在于，本实施例中电气石质量分数60％、铜质量分数40％。本实施例制备的铜-电气石复合散热材料的散热性与实施例1的散热性相似，具有比实施例2制备的复合散热材料更高的机械强度。
实施例4
本实施例与实施例1的制备方法相同，不同之处在于，本实施例中电气石质量分数95％、铜质量分数5％。本实施例制备的铜-电气石复合散热材料的散热性与实施例1的散热性相似，其机械强度较低。
对比例1
本对比例与实施例1的制备方法相同，不同之处在于，本对比例中电气石质量分数97％、铜质量分数3％。本对比例无法制备成板状材料，从而无法检测该材料的散热性能，同时该材料的机械强度太差，导致无法应用于电子封装芯片。
对比例2
本对比例与实施例1的制备方法相同，不同之处在于，本对比例中电气石质量分数50％、铜质量分数50％。本对比例制备的铜-电气石复合散热材料的散热性比紫铜的散热性能差。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铜-电气石复合散热材料的制备方法，其特征是，将电气石粉末与铜粉末混合均匀得到混合粉末，将混合粉末置于粉末冶金模具中进行压块，将压块后的物料进行真空烧结，烧结后即得铜-电气石复合散热材料，其中，所述混合粉末中质量分数50％～95％的粉末为电气石粉末，余量为铜粉末。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述混合粉末中质量分数80％～95％的粉末为电气石粉末，余量为铜粉末。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述压块的施加载荷为40～50KN。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述压块的载荷时间为30～60s。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，将压块后的物料与粉末冶金模具一起进行真空烧结。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征是，先在粉末冶金模具内铺一层碳纸，然后将混合粉末置于粉末冶金模具中。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述烧结温度为800～1000℃。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述烧结时间为5～10min。
9.一种权利要求1～8任一所述的制备方法制备的铜-电气石复合散热材料。
10.一种权利要求9所述的散热材料电子封装芯片中的应用。
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