CN107740006A - 一种性能各向异性的Cu/W复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属复合材料领域，尤其是一种性能各向异性的Cu/W复合材料的制备方法。本发明提供的制备方法包括如下步骤：将钨纤维进行无纺织造，得到钨纤维毡层；将铜板或采用铜粉成形的坯体形成的铜板层与钨纤维毡层制成预烧坯体，在氩气保护气氛中，升温至熔渗烧结温度后，将氩气压力升高到0.5～2MPa，并保温0.5～2h后，冷却至室温，得到性能各向异性的Cu/W复合材料。采用该种方法制备的Cu/W复合材料，其性能可调，且具有在XY平面的热膨胀系数小，而在Z轴方向热导率高的特性，特别适合于制备电子封装材料。

Description

一种性能各向异性的Cu/W复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域，尤其是一种性能各向异性的Cu/W复合材料。
背景技术
金属钨(W)具有高的熔点、高的密度、低的热膨胀系数和高的强度，金属铜(Cu)具有很好的导热、导电性。Cu/W复合材料兼具W和Cu的优点，可以制备一种具有良好的导热性和适当的热膨胀系数、较高强度的电子封装材料。
Cu/W复合材料一般采取粉末冶金的方法制备，通常采用的方法有熔渗法、液相烧结法、活化烧结法等。这些传统的制备方法具有工艺简单等特点，容易实现大规模生产，但这些方法制备的Cu/W复合材料通常会存在少量孔隙，恶化复合材料性能。热压是近年来发展起来的一种烧结新方法，能制备致密的复合材料，但热压工艺设备复杂，模具成本高，生产效率较低。
目前制备的Cu/W复合材料在热膨胀系数和热导率方面难以做到最优，复合材料中铜含量较高虽然能保证其较高的热导率，但其热膨胀系数往往过大，不符合电子封装材料的要求；反过来，较低铜含量的复合材料的热膨胀系数虽然达到了要求，但其热导率却不符合应用要求。
封装片在散热时，其热流的方向是垂直于封装片的，而为了使电子封装器件工作可靠，封装片与芯片在横向方向的热膨胀系数应该尽可能一致。因此，实际使用的封装片在平行或垂直于封装表面的两个方向对导热率和热膨胀系数的要求并不一致。但是，目前使用的封装材料都是各向同性的，无法将封装材料的性能充分发挥。
发明内容
本发明克服现有的工艺局限，目的在于提供一种性能优良的Cu/W复合材料的制备工艺。为了实现以上技术效果，本发明给出的制备方法是通过如下步骤实现：
S1.将钨纤维进行无纺织造和真空烧结，得到钨纤维毡层，钨纤维毡的孔隙体积比为20～40％；
S2.将铜板或采用铜粉成形的坯体形成的铜板层与钨纤维毡层制成预烧坯体，在氩气保护气氛中，升温至熔渗烧结温度后，将氩气压力升高到0.5～2MPa，并保温0.5～2h后，冷却至室温，得到性能各向异性的Cu/W复合材料；
所述预烧坯体为相同面积的铜板层与钨纤维毡层交替排列而成。(如图1所示)
其中，步骤S1中所述的钨纤维的直径在：1～200μm。
其中，步骤S1中所述的钨纤维毡层的孔隙体积比为20～60％。。
其中，步骤S2中所述的铜板层的厚度为钨纤维毡层厚度的0.3-0.5倍，有利于在铜熔渗并完全填充钨纤维毡中的孔隙，并留有部分铜在相邻的两个钨纤维毡之间，有助于提高Cu/W复合材料的整体强度和导热能力。
其中，步骤S2中所述的步骤S2中所述预烧坯体至少含有一层铜板层与一层钨纤维毡层。具体层数取决于所需的Cu/W复合材料的总体厚度。
其中，步骤S2中所述的熔渗烧结温度为1150℃～1350℃。
上述方法制得的性能各向异性的Cu/W复合材料。
本发明提供的性能各向异性的Cu/W复合材料的气孔率不大于1.0％，XY平面方向的热膨胀率不大于7×10-6/K，热导率不低于190W/mK，Z轴方向的热膨胀率不大于12×10-6/K，热导率不低于250W/mK。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的技术工艺制备的Cu/W复合材料具有明显的性能各向异性特征，其在平面(XY)方向具有较低的热膨胀系数，而在垂直方向(Z轴方向)具有更好的导热系数，特别适合制备电子封装材料。
2、本发明提出的技术工艺制备的Cu/W复合材料致密度高，为保证复合材料的优异性能奠定了良好基础。
3、本发明提出的技术工艺简单，容易进行工业放大。
附图说明
图1为本发明所述钨纤维毡层与铜板层叠放示意图，其中1为钨纤维毡层，2为铜板层。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1
一种性能各向异性的Cu/W复合材料的制备方法，制备工艺包括以下步骤：
步骤一，将纤维直径为25μm的钨纤维进行无纺编织，得到气孔率30％的钨纤维毡。
步骤二，根据钨纤维毡的几何尺寸，以钨纤维毡体积的0.45倍作为计算铜板的体积，铜板的长度与宽度与钨纤维毡相同，并依此计算得到所需的铜板厚度。
步骤三，将步骤一得到的钨纤维毡二层和步骤二的铜板两片交替叠合在一起(如图1)，放置于陶瓷材质的烧结舟中，在氩气保护气氛中升温至1200℃后，将炉体中的氩气压力升高到2MPa，并保温2h后，随炉冷却至室温，得到Cu/W复合材料。
对所得Cu/W复合材料进行性能检测，测试结果，致密度99.3％，XY平面方向的热膨胀率6×10-6/K，热导率195W/mK，Z轴方向的热膨胀率10×10-6/K，热导率220W/mK。
实施例2
一种性能各向异性的Cu/W复合材料的制备方法，制备工艺包括以下步骤：
步骤一，将纤维直径为50μm的钨纤维进行无纺编织，得到气孔率40％的钨纤维毡。
步骤二，根据钨纤维毡的几何尺寸，以钨纤维毡体积的0.5倍作为计算铜板的体积，铜板的长度与宽度与钨纤维毡相同，并依此计算得到所需的铜板厚度。
步骤三，将步骤一得到的钨纤维毡二层和步骤二的铜板两片交替叠合在一起(如图1)，放置于陶瓷材质的烧结舟中，在氩气保护气氛中升温至1300℃后，将炉体中的氩气压力升高到1.5MPa，并保温1h后，随炉冷却至室温，得到Cu/W复合材料。
对所得Cu/W复合材料进行性能检测，测试结果，致密度99.3％，XY平面方向的热膨胀率7×10-6/K，热导率210W/mK，Z轴方向的热膨胀率11×10-6/K，热导率240W/mK。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不应理解为对本发明的技术方案的限定。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种性能各向异性的Cu/W复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将钨纤维进行无纺织造，得到钨纤维毡层，钨纤维毡的孔隙体积比为20～40％；
S2.将铜板或采用铜粉成形的坯体形成的铜板层与钨纤维毡层制成预烧坯体，在氩气保护气氛中，升温至熔渗烧结温度后，将氩气压力升高到0.5～2MPa，并保温0.5～2h后，冷却至室温，得到性能各向异性的Cu/W复合材料；
所述预烧坯体为相同面积的铜板层与钨纤维毡层交替排列而成。
2.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述的钨纤维的直径在：1～200μm。
3.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述的钨纤维毡层的孔隙体积比为20～60％。
4.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述的铜板层的厚度为钨纤维毡层厚度的0.3-0.5倍。
5.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述预烧坯体至少含有一层铜板层与一层钨纤维毡层。
6.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述的熔渗烧结温度为1150℃～1350℃。
7.根据权利要求1-6中的任何一种制备方法制备的性能各向异性的Cu/W复合材料。
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