CN108165808B - 一种石墨-铝双相连通复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电子封装用石墨‑铝双相连通复合材料及其制备方法。该复合材料主要由石墨和铝两相组成，其中石墨占复合材料的体积百分比为1‑45％，其特点在于石墨与铝两连续相在复合材料内部形成双相连通的结构。其制备过程包括多孔预制坯与真空压力浸渗两步。在多孔预制坯阶段，对石墨片进行构型设计，使片层石墨立体化；随后对立体石墨进行表面镀覆处理，形成具有一定强度的预制石墨坯体。再采用真空压力浸渗工艺对石墨坯体渗铝，使铝基体填充预制坯间隙，得到致密的石墨‑铝复合材料。本发明的复合材料具有高导热、力学性能良好、轻质、成本低等多项优点，在电子封装领域具有很大的应用潜力。

Description

一种石墨-铝双相连通复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料，特别涉及一种石墨-铝双相连通复合材料及其制备方法。
背景技术
随着半导体元器件的集成度越来越高，功率密度大幅提升，单位面积产生的热量越来越高，散热已经成为阻碍大功率电子器件、大功率照明器件和大规模集成电路进一步发展的瓶颈问题，同时也对电子封装材料提出了更高的要求。传统的单一材料已经无法满足现代封装技术对材料的要求，研发拥有更高导热、高强度、轻质、低成本的新型复合材料已成为必然趋势。石墨材料，如天然石墨鳞片、石墨片层、石墨纤维等由于在其碳原子平面方向上具有超高的热导率(理论热导率高达2000W/(m·K))，材料密度低、易切削加工，被认为是金属基复合材料的理想增强相。特别地，当其与铝复合时，所得复合材料整体密度低，满足电子元器件轻量化、便捷化的发展趋势，具有广阔的应用前景。
然而目前国内外大多采用非连续石墨鳞片作为铝基的增强相，采用热压、放电等离子体烧结的方法成形，或在非连续的石墨鳞片层间加入第三相粒子充当隔离相，再用熔渗的方法制备铝基复合材料。这类材料由于石墨鳞片分散在基体中，热量在增强相与基体间交替传输时由于晶格不匹配，造成热量在界面处大量散射，石墨超高的导热性能未完全发挥。为了充分发挥石墨增强相的高导热，研究者考虑使用连续的石墨片层与铝复合。具体方法是，取铝箔与连续的石墨片层依次层叠，形成铝层-石墨层-铝层交替出现的三明治型结构。所得复合材料在石墨片层平面(X-Y平面)内具有较高的热导率。但这种材料的不足之处在于，由于在Z方向上铝与石墨以层状形式交替出现，石墨片层在层间方向上的结合力为极弱的范德华力结合，材料承受剪切应力时极易在石墨片层方向上解离，造成复合材料强度不够。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高导热的石墨/铝双相连通的复合材料及其制备方法。
针对当前石墨增强铝基复合材料高导热、高强度、轻质、易加工的需要，提供一种具有石墨、铝两相相互连通的复合材料及其制备方法。
该复合材料由石墨和铝两相构成，其中石墨占复合材料的体积百分比为1-45％，石墨与铝两相在复合材料内部分别保持自身相的连续，同时两相相互贯穿，形成双相连通的结构。
其制备过程主要包括三个方面：连续石墨片构型设计、石墨预制坯体的制备和液态铝或铝合金的气压浸渗。先对连续片状的石墨片层进行切割、设计，使平面局部区域石墨分离，随后将局部区域沿垂直水平面方向弯折，实现片层石墨立体化，再对具有立体结构的石墨进行表面镀铜或镀镍处理，使其成为具有一定强度多孔预制坯体，最后将多孔预制坯体放入气压浸渗炉内，熔化金属铝或合金铝锭进行气压浸渗得到最后的复合材料；具体包括如下步骤：
(1)对连续石墨片进行构型设计，切割石墨片层平面即X-Y平面，在其表面形成“局部切割区”，将“局部切割区”向Z方向弯折、翻起，形成立体的导热带；
(2)对步骤(1)加工后的立体石墨进行表面镀铜或镀镍处理，得到表面镀覆铜层或镍层的石墨预制坯体；
(3)采用反向气压浸渗方法制备铝基复合材料，将上述石墨预制坯体置于石墨模具内，然后将石墨模具置于气压浸渗设备上部的加热区，石墨模具下方开口，与液态浸渗金属的导管连接，将金属铝或铝合金置于气压浸渗设备下部的感应加热区，对炉体抽真空至真空度0.1Pa以下；将石墨模具和金属铝或铝合金进行加热，石墨模具预热至550-750℃保温5-30min，金属铝或铝合金加热至550-900℃保温5-30min，随后利用充气系统向炉体注入高纯氩气，当炉内气压达到0.1-4MPa后停止充压，保温保压5-30min，最后随炉冷却至室温，即得到石墨-铝双相连通复合材料。
进一步地，步骤(1)中，所述的连续石墨片厚度为0.01～6mm，热导率大于800W·m-1·K-1，纯度大于95％，石墨在复合材料中所占体积分数为1-45％。
进一步地，步骤(1)中，切割方式包括刀刻、剪裁或冲压等方式。
进一步地，步骤(1)中，“局部切割区”的纹路，可根据情况不同进行灵活设计，如根据高功率散热的具体位置、分布状况，“热点”区域与温度敏感型器件的相对位置等，即石墨的形态在保持连续不间断的情况下，可以任意改变。
进一步地，步骤(1)中，“局部切割区”，弯折角度、次数不做限定，均为任意，可多次弯折以实现热流往特定方向传导。
进一步地，步骤(2)中，表面镀覆铜层或镍层的厚度为0.1-50μm，镀覆方式包括化学镀、电镀等任意镀覆方法。
本发明通过采用反向气压浸渗法制备石墨与铝两相连通的石墨-铝复合材料，用于电子封装或热沉领域。与现有的封装材料及生产工艺相比，具有以下优点：
1.选用连续石墨片层与铝复合，高导热石墨在基体中成连续相，热量可由设计的石墨导热通道传导，连续石墨避免了界面热阻对复合材料热导率的不利影响。所得材料与芯片贴合的X‐Y面有高体积分数的导热石墨，可实现热量X‐Y方向的传导。同时，连续的导热石墨向下延伸，可实现热量Z方向的传导。
2.基体铝在复合材料内部是相互连通的连续相，有利于复合材料保持较高的强度，复合材料应用广阔。
3.石墨片质量轻、成本低，采用反向压力浸渗制备的石墨‐铝复合材料，可以实现复杂形状零件的近净成形，生产成本低，效率高，同时复合材料密度低，可作为一种理想的航空航天的热沉材料使用。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程框图。
图2为实施例1或2的石墨片表面部分区域纹路的设计示意图。
图3为实施例3的石墨片表面部分区域纹路的设计示意图。
图4为具有多孔结构的立体石墨片示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。
实施例1
本实施例中选用厚度为1.2mm，热导率为1200W·m-1·K-1的石墨片材作为增强相，用丙酮超声处理，除去表面油污。利用冲裁压头对石墨片进行冲裁即冲压切割，在石墨片表面留下冲裁纹路。其纹路设置如图2所示，其中h＝3mm，l＝5mm，a＝3mm，b＝2mm。
冲裁后，将石墨片沿冲裁纹路向垂直石墨片片层方向翻起，得到立体的、具有多孔结构的石墨片，如图4所示。随后采用电镀工艺对其表面进行电镀铜，具体工艺如下：采用硫酸铜溶液为电镀液，配方为200g/L CuSO4·5H2O，70g/L H2SO4。电镀使用直流稳压稳流电源稳压控制，工作电压为1.6V。石墨片作为阴极，阳极采用磷铜板，镀液温度为室温。反应120分钟，取下石墨片，水洗并经烘箱干燥后，于管式炉内通氢气还原，得到表面镀覆20μm厚度铜层、具有一定强度的石墨预制坯体。
采用反向气压浸渗方法制备铝基复合材料，将上述石墨预制坯体放入石墨模具内，置于气压浸渗设备上部的加热区，石墨模具下方开口，与液态浸渗金属的导管连接。将金属铝置于气压浸渗设备下部的感应加热区。对炉体抽真空至真空度0.1Pa以下；将石墨模具和金属铝进行加热，石墨模具预热至700℃保温10min，金属铝加热至800℃保温15min。随后利用充气系统向炉体注入高纯氩气，当炉内气压达到2MPa后停止充压，保温保压10min，最后随炉冷却至室温，得到石墨-铝复合材料，采用激光法测得复合材料垂直石墨平面方向上的热导率为508W·m-1·K-1。
实施例2
本实施例中选用厚度为0.5mm，热导率为1500W·m-1·K-1的石墨片材作为增强相，用丙酮超声处理，除去表面油污。利用冲裁压头对石墨片进行冲裁，在石墨片表面留下冲裁纹路。其纹路设置如图2所示，其中h＝2.4mm，l＝4mm，a＝2mm，b＝2mm。冲裁后，将石墨片沿冲裁纹路向垂直石墨片片层方向翻起，得到立体的、具有多孔结构的石墨片。随后采用化学镀工艺对其表面进行化学镀Ni，采用的镀液主盐为六水硫酸镍(NiSO4·6H2O)，浓度为14.5g·L-1；还原剂为次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)，浓度为30g·L-1；稳定剂为柠檬酸钾钠(Na3C6H5O7·2H2O)，浓度为28g·L-1；络合剂为氯化铵(30g·L-1)和乳酸(20ml·L-1)；化学镀温度为50℃，通过NaOH调节pH至8.5。镀覆时间为10分钟，得到镀层平均厚度为0.8μm的表面镀Ni的石墨鳞片预制坯体。
采用反向气压浸渗方法制备铝基复合材料，将上述石墨鳞片预制坯体放入石墨模具内，置于气压浸渗设备上部的加热区，石墨模具下方开口，与液态浸渗金属的导管连接。将金属铝置于气压浸渗设备下部的感应加热区。对炉体抽真空至真空度0.1Pa以下；将石墨模具和金属铝进行加热，石墨模具预热至750℃保温10min，金属铝加热至780℃保温15min。随后利用充气系统向炉体注入高纯氩气，当炉内气压达到3MPa后停止充压，保温保压15min，最后随炉冷却至室温，得到石墨-铝复合材料，采用激光法测得复合材料垂直石墨平面方向上的热导率为347W·m-1·K-1。
实施例3
本实施例中选用厚度为0.8mm，热导率为1500W·m-1·K-1的石墨片材作为增强相，用丙酮超声处理，除去表面油污。利用冲裁压头对石墨片进行冲裁，在石墨片表面留下冲裁纹路。其纹路设置如图3所示，其中h＝3mm，l＝4mm，a＝3mm，b＝3.5mm。
冲裁后，将石墨片沿冲裁纹路向垂直石墨片片层方向翻起，得到立体的、具有多孔结构的石墨片。随后采用电镀工艺对其表面进行电镀铜，具体工艺如下：采用硫酸铜溶液为电镀液，配方为200g/L CuSO4·5H2O，70g/L H2SO4。电镀使用直流稳压稳流电源稳压控制，工作电压为1.6V。石墨片作为阴极，阳极采用磷铜板，镀液温度为室温。反应120分钟，取下石墨片，水洗并经烘箱干燥后，于管式炉内通氢气还原，得到表面镀覆20μm厚度铜层、具有一定强度的石墨预制坯体。
采用反向气压浸渗方法制备铝基复合材料，将上述石墨预制坯体放入石墨模具内，置于气压浸渗设备上部的加热区，石墨模具下方开口，与液态浸渗金属的导管连接。将Al-12wt.％Si合金置于气压浸渗设备下部的感应加热区。对炉体抽真空至真空度0.1Pa以下；将石墨模具和Al-12wt.％Si合金进行加热，石墨模具预热至600℃保温10min，铝合金加热至700℃保温15min。随后利用充气系统向炉体注入高纯氩气，当炉内气压达到2MPa后停止充压，保温保压10min，最后随炉冷却至室温，得到石墨-铝复合材料，采用激光法测得复合材料垂直石墨平面方向上的热导率为416W·m-1·K-1。

Claims (7)

1.一种石墨-铝双相连通复合材料，其特征在于，由石墨和铝两相构成，其中石墨占复合材料的体积百分比为1-45％，石墨与铝两相在复合材料内部分别保持自身相的连续，同时两相相互贯穿，形成双相连通的结构；
所述的石墨-铝双相连通复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)对连续石墨片进行构型设计，切割石墨片层平面即X-Y平面，在其表面形成“局部切割区”，将“局部切割区”向Z方向弯折、翻起，形成立体的导热带；
(2)对步骤(1)加工后的立体石墨进行表面镀铜或镀镍处理，得到表面镀覆铜层或镍层的石墨预制坯体；
(3)将石墨预制坯体装入石墨模具中，放入真空压力浸渗炉内，真空压力浸渗得到石墨-铝复合材料。
2.权利要求1所述的石墨-铝双相连通复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对连续石墨片进行构型设计，切割石墨片层平面即X-Y平面，在其表面形成“局部切割区”，将“局部切割区”向Z方向弯折、翻起，形成立体的导热带；
(2)对步骤(1)加工后的立体石墨进行表面镀铜或镀镍处理，得到表面镀覆铜层或镍层的石墨预制坯体；
(3)将石墨预制坯体装入石墨模具中，放入真空压力浸渗炉内，真空压力浸渗得到石墨-铝复合材料。
3.根据权利要求2所述的石墨-铝双相连通复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，连续石墨片的厚度为0.01～6mm，热导率大于800W·m-1·K-1，纯度大于95％。
4.根据权利要求2所述的石墨-铝双相连通复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，“局部切割区”，弯折角度、弯折次数均为任意。
5.根据权利要求2所述的石墨-铝双相连通复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，石墨表面镀覆铜层或镍层的厚度为0.1-50μm。
6.根据权利要求2所述的石墨-铝双相连通复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，真空压力浸渗的具体工艺为：对炉体抽真空至真空度0.1Pa以下；将石墨模具和金属铝或铝合金进行加热，石墨模具预热至550-750℃保温5-30min，金属铝或铝合金加热至550-900℃保温5-30min，随后利用充气系统向炉体注入高纯氩气，当炉内气压达到0.1-4MPa后停止充压，保温保压5-30min，最后随炉冷却至室温。
7.权利要求1所述的石墨-铝双相连通复合材料在电子封装或热沉中的应用。
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CN108790368B (zh) * 2018-08-30 2020-10-02 兰州交通大学 一种高速列车igbt封装用石墨烯/金属复合材料的制备方法
CN110241325B (zh) * 2019-08-02 2021-02-05 青岛滨海学院 一种钛金属化石墨片增强铝基复合材料及其制备方法和应用
CN114406260B (zh) * 2021-12-24 2024-03-05 海特信科新材料科技有限公司 一种高可靠性cpc复合材料的生产工艺

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5208616B2 (ja) * 2008-08-11 2013-06-12 電気化学工業株式会社 アルミニウム−炭化珪素質複合体及びその製造方法
CN102586703B (zh) * 2012-03-23 2013-11-20 北京科技大学 一种石墨晶须增强铝基复合材料的制备方法
CN106544552B (zh) * 2016-11-07 2019-06-21 西北工业大学 一种表面处理石墨/低硅混杂增强铝基复合材料及其制备工艺

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