CN109808258A - 一种金刚石层铺铜基高导热复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高导热复合材料技术领域，特别是涉及一种铜基高导热复合材料及其制备方法。一种金刚石层铺铜基高导热复合材料，依次包括基底层、中间层、金属箔片；所述的中间层由铜网或泡沫铜、金刚石颗粒组成，金刚石颗粒均匀分散在铜网或泡沫铜上。本发明的制备方法，包括以下步骤：顺序放置金属箔片、铜网或泡沫铜、金刚石颗粒、金属箔片，完成材料的冷压装配；冷压装配好的材料进行超声滚压固相焊接；在真空状态下进行热压扩散焊接，完成金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备。本发明的金刚石层铺铜基高导热复合材料，金属箔片、铜网、金刚石颗粒经工装顺序放置，经墩压、焊接、热压处理工艺制备而成，具有高热导率和低热膨胀率，且样品轻薄规整。
Description
技术领域
本发明涉及高导热复合材料技术领域，特别是涉及一种铜基高导热复合材料及其制备方法。
背景技术
超声波焊接是一种快速、清洁、高效的装配和连接方法，可用于塑料制品之间、塑料制品与金属之间、金属与金属之间的装配连接。超声波焊接特别适用于金属箔片、细丝以及各类微型器件的焊接，可用于焊接厚薄相差悬殊及多层箔片等特殊焊件，特别适用于高热导率和高电导率的材料，如铝、铜、银等。超声波焊对焊件表面的清洁度要求不高，因其对焊件表面氧化膜有破碎和清理作用，允许少量氧化膜及油污的存在。
随着电子技术的不断发展，对于电子封装材料的要求不断提高，作为新一代电子封装材料的金刚石颗粒增强的Cu、Al、Ag等金属基复合材料，具有优良的热物理性能和良好的机械性能，一般采用金属基体合金化、金刚石表面金属化及先进制造方法三种途径来制备金刚石增强金属基复合材料。金刚石增强金属基复合材料的传统制造方法，如等离子放电烧结法、传统粉末冶金法、高温高压法和无压渗透法，仅适用于实验室制备，难以用于实际工业化生产，且多存在不足。如等离子放电烧结法、无压渗透法难以连续化生产且生产样品较为厚重，传统粉末冶金法制备样品多含有缺陷且热导率低。
发明内容
本发明目的在于弥补现有技术的不足，提供一种新型金属基导热复合材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的一个技术方案是：
一种金刚石层铺铜基高导热复合材料，其特征在于：依次包括基底层、中间层、金属箔片；所述的中间层由负载金刚石颗粒的铜网或泡沫铜组成，所述的金刚石颗粒均匀分散在所述的铜网或泡沫铜上。
所述的基底层为单层金属箔片或多层复合材料；所述的多层复合材料由N层金属箔片和N-1 层中间层交替叠加而成，N≥2。
所述铜网的目数为35-150目；所述泡沫铜的孔径为40-110ppi。
所述的金属箔片为T2型M态紫铜箔，厚度为0.1-0.5mm。
所述的中间层中，所述的金刚石颗粒表面采用磁控溅射或者冷喷涂方式涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍或铬，薄层厚度在0-20μm之间。
为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，包括以下不步骤：
顺序放置金属箔片、铜网或泡沫铜、金刚石颗粒、金属箔片，完成材料的冷压装配；冷压装配好的材料进行超声滚压固相焊接；在真空状态下进行热压扩散焊接，完成金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备。
所述的冷压装配和超声滚压固相焊接重复进行多道工序，上道工序的产物作为下道工序冷压装配的基底层，在基底层上顺序放置铜网或泡沫铜、金刚石颗粒和金属箔片。
所述的超声滚压固相焊接工艺参数为：超声波压力为0.1-0.5MPa，滚压宽度不高于20mm，超声波压头表面粗糙度不高于32Ra，超声波功率2KW以上。
所述的扩散焊工艺参数为：将扩散焊炉内抽真空至0.01Pa之下；以20℃/min速率升温到500℃，保温10min；随后以10℃/min速率升温到850℃，保温30min，压力均为5MPa；随后在真空箱中冷却至室温。
本发明的金刚石层铺铜基高导热复合材料，采用冷-热固相连接方式，该种制备工艺主要实现高导热片状结构高效制备，该工艺方法包括冷压装配+超声波界面嵌合+热压扩散焊连接。采用超声波叠焊法制备高导热复合材料，具有清洁无污染、成型快速、生产样品规整且轻薄、工装简单、可连续生产等优点，可以实现高导热金刚石增强金属基复合材料的高效、连续、快速生产。采用本发明的制备方法，金属箔片、铜网、金刚石颗粒经工装顺序放置，经墩压、焊接、热压处理工艺制备的高导热复合材料具有高热导率和低热膨胀率，且样品轻薄规整的优点。
附图说明
图1是本发明的金刚石层铺铜基高导热复合材料实施例1的结构示意图；
图2是本发明的金刚石层铺铜基高导热复合材料实施例2的结构示意图；
图3是本发明的金刚石层铺铜基高导热复合材料实施例3的结构示意图；
图4是本发明的实施例4材料放置及超声波滚焊示意图；
图5是本发明的实施例6材料放置及超声波滚焊示意图
图6是本发明的实施例6固相连接扩散焊示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的金刚石层铺铜基高导热复合材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1 本实施例的金刚石层铺铜基高导热复合材料，结构如图1所示，自下而上依次包括下层金属箔片1、铜网2、金刚石颗粒3和上层金属箔片4。铜网2的网格目数为150目，金刚石颗粒3的粒度控制在使其能够均匀分散到铜网2上，铜网网格实现金刚石颗粒弥散分布预支撑，从而能使金刚石颗粒在上、下层金属箔片间分散均匀。其中，金刚石颗粒3的表面采用磁控溅射或者冷喷涂方式涂覆涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍或铬，薄层厚度在15μm。下层金属箔片1和上层金属箔片4采用厚度为0.5mm的T2型M态紫铜箔。
实施例2 本实施例的金刚石层铺铜基高导热复合材料，结构如图2所示，自下而上依次包括基底层5、泡沫铜2、金刚石颗粒3和金属箔片4。泡沫铜2的孔径为100 ppi，金刚石颗粒3的粒度控制在使其能够均匀分散到泡沫铜2上，泡沫铜实现金刚石颗粒弥散分布预支撑，从而能使金刚石颗粒在基底层5和金属箔片4间分散均匀。其中，金刚石颗粒3的表面采用磁控溅射或者冷喷涂方式涂覆涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍或铬，薄层厚度在16μm。金属箔片4采用厚度为0.5mm的T2型M态紫铜箔。其中，基底层1的结构如实施例1所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料。
实施例3本实施例的金刚石层铺铜基高导热复合材料，结构如图3所示，自下而上依次包括基底层5、泡沫铜2、金刚石颗粒3、第一金属箔片6和第二金属箔片7。泡沫铜2的孔径为110 ppi，金刚石颗粒3的粒度控制在使其能够均匀分散到泡沫铜2上，泡沫铜实现金刚石颗粒弥散分布预支撑，从而能使金刚石颗粒在基底层5和第一金属箔片6间，以及第一金属箔片6和第二金属箔片7间分散均匀。其中，金刚石颗粒3的表面采用磁控溅射或者冷喷涂方式涂覆涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍或铬，薄层厚度在16μm。第一金属箔片6和第二金属箔片7采用厚度为0.5mm的T2型M态紫铜箔。其中，基底层1的结构如实施例1所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料。第一金属箔片6和第二金属箔片7采用厚度为0.5mm的T2型M态紫铜箔。
实施例4 本实施例的金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，共分为冷压装配+超声波固相嵌合+热压扩散焊连接：
预处理：将基体材料与金刚石颗粒用乙醇溶剂进行超声波清理并滤干。采用等离子磁控溅射法对金刚石颗粒进行表面改性，即使用磁控溅射或者冷喷涂在金刚石颗粒表面涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍、铬等，薄层厚度在15μm。
冷压装配：先将铜箔片置于最下端，中间再放置一层铜网，随后将改性后的金刚石颗粒置于铜网之上，平铺均匀，最后将一层铜箔片置于最上方，在压力机下墩压。使用的铜箔厚度与金刚石颗粒粒度一致，并经砂纸打磨，乙醇溶剂擦拭。铜网的目数要保证能够支撑金刚石颗粒，使其在铜网上均匀分散。可用于超声波焊接的颗粒尺寸范围为100-500μm，粒度尺寸误差范围保持在20μm之内，铜网目数范围为：35-150目，所用铜箔为T2型M态紫铜箔，厚度范围为0.1-0.5mm，冷压压强不小于9.8Mpa。
超声波焊接：在水平方向上采用超声波压头进行铜箔片之间的逐层焊接，如图4所示。即冷压装配后，进行超声滚压固相连接焊接，超声波压力为0.1-0.5MPa，滚压宽度不高于20mm，超声波压头表面粗糙度不高于32Ra，超声波功率2KW以上。
热压扩散焊：将完成超声波焊接后的样品进行热压扩散焊处理。即将超声波固相嵌合的金刚石颗粒增强铜基复合材料置于上下热压板间放入扩散焊炉中，将炉内抽真空至0.01Pa之下。扩散焊：以20℃/min速率升温到500℃，保温10min；随后以10℃/min速率升温到850℃，保温30min，压力均为5MPa；随后真空冷却至室温，完成工艺加工全部过程。
本实施例的制备方法制备出的金刚石层铺铜基高导热复合材料，其结构同实施例1的结构，如图1所示。
实施例5本实施例的金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，共分为冷压装配+超声波固相嵌合+热压扩散焊连接：
预处理：将基体材料与金刚石颗粒用乙醇溶剂进行超声波清理并滤干。采用等离子磁控溅射法对金刚石颗粒进行表面改性，即使用磁控溅射或者冷喷涂在金刚石颗粒表面涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍、铬等，薄层厚度在15μm。
冷压装配：先将铜箔片置于最下端，中间再放置一层泡沫铜，随后将改性后的金刚石颗粒置于泡沫铜之上，平铺均匀，最后将一层铜箔片置于最上方，在压力机下墩压。使用的铜箔厚度与金刚石颗粒粒度一致，并经砂纸打磨，乙醇溶剂擦拭。泡沫铜的孔径大小要保证能够支撑金刚石颗粒，使其在泡沫铜上均匀分散。可用于超声波焊接的颗粒尺寸范围为100-500μm，粒度尺寸误差范围保持在20μm之内，泡沫铜的孔径范围为：40-110ppi，所用铜箔为T2型M态紫铜箔，厚度范围为0.1-0.5mm，冷压压强不小于9.8Mpa。
超声波焊接：在水平方向上采用超声波压头进行铜箔片之间的逐层焊接。即冷压装配后，进行超声滚压固相连接焊接，超声波压力为0.1-0.5MPa，滚压宽度不高于20mm，超声波压头表面粗糙度不高于32Ra，超声波功率2KW以上。
将已经焊接完成的板材作为基底层，在基底层上再顺序放置泡沫铜或铜网、改性后的金刚石颗粒、铜箔片，重复超声波焊接过程进行二道焊接。
热压扩散焊：将完成超声波焊接后的样品进行热压扩散焊处理。即将超声波固相嵌合的金刚石颗粒增强铜基复合材料置于上下热压板间放入扩散焊炉中，将炉内抽真空至0.01Pa之下。扩散焊：以20℃/min速率升温到500℃，保温10min；随后以10℃/min速率升温到850℃，保温30min，压力均为5MPa；随后真空冷却至室温，完成工艺加工全部过程。
本实施例的制备方法制备出的金刚石层铺铜基高导热复合材料，其结构同实施例2的结构，如图2所示。
实施例6本实施例的金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，共分为冷压装配+超声波固相嵌合+热压扩散焊连接。
预处理：将基体材料与金刚石颗粒用乙醇溶剂进行超声波清理并滤干。采用等离子磁控溅射法对金刚石颗粒进行表面改性，即使用磁控溅射或者冷喷涂在金刚石颗粒表面涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍、铬等，薄层厚度在15μm。
冷压装配：先将铜箔片置于最下端，中间再放置一层泡沫铜，随后将改性后的金刚石颗粒置于泡沫铜之上，平铺均匀，最后将一层铜箔片置于最上方，在压力机下墩压。使用的铜箔厚度与金刚石颗粒粒度一致，并经砂纸打磨，乙醇溶剂擦拭。铜网的目数要保证能够支撑金刚石颗粒，使其在铜网上均匀分散。可用于超声波焊接的颗粒尺寸范围为100-500μm，粒度尺寸误差范围保持在20μm之内，铜网目数范围为：35-150目，所用铜箔为T2型M态紫铜箔，厚度范围为0.1-0.5 mm，冷压压强不小于9.8Mpa。
超声波焊接：在水平方向上采用超声波压头进行铜箔片之间的逐层焊接。即冷压装配后，进行超声滚压固相连接焊接，超声波压力为0.1-0.5MPa，滚压宽度不高于20mm，超声波压头表面粗糙度不高于32Ra，超声波功率2KW以上。
将已经焊接完成的板材作为基底层，在基底层上再顺序放置泡沫铜或铜网、改性后的金刚石颗粒、铜箔片，重复超声波焊接过程进行二道焊接。然后将二道焊接的板材再作为基底层，重复顺序放置泡沫铜或铜网、改性后的金刚石颗粒、铜箔片，重复超声波焊接过程进行三道焊接，如图5所示。以此类推逐层叠放直至完成全部焊接。
热压扩散焊：将完成超声波焊接后的样品进行热压扩散焊处理，如图6所示。即将超声波固相嵌合的金刚石颗粒增强铜基复合材料置于上下热压板间放入扩散焊炉中，将炉内抽真空至0.01Pa之下。扩散焊：以20℃/min速率升温到500℃，保温10min；随后以10℃/min速率升温到850℃，保温30min，压力均为5MPa；随后真空冷却至室温，完成工艺加工全部过程。
以上对本发明做了示范性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域的技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种金刚石层铺铜基高导热复合材料，其特征在于：依次包括基底层、中间层、金属箔片；所述的中间层由负载金刚石颗粒的铜网或泡沫铜组成，所述的金刚石颗粒均匀分散在所述的铜网或泡沫铜上。
2.根据权利要求1所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料，其特征在于：所述的基底层为单层金属箔片或多层复合材料；所述的多层复合材料由N层金属箔片和N-1 层中间层交替叠加而成，N≥2。
3.根据权要求2所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料，其特征在于：所述铜网的目数为35-150目；所述泡沫铜的孔径为40-110ppi。
4.根据权利要求1-3任一项所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料，其特征在于：所述的金属箔片为T2型M态紫铜箔，厚度为0.1-0.5mm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料，其特征在于：所述的中间层中，金刚石颗粒表面采用磁控溅射或者冷喷涂方式涂覆一层金属薄层，涂层金属为钛、镍或铬，薄层厚度在0-20μm之间。
6.一种如权利要求1-3任一项所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：顺序放置金属箔片、铜网或泡沫铜、金刚石颗粒、金属箔片，完成材料的冷压装配；冷压装配好的材料进行超声滚压固相焊接；在真空状态下进行热压扩散焊接，完成金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备。
7.根据权利要求6所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的冷压装配和超声滚压固相焊接重复进行多道工序，上道工序的产物作为下道工序冷压装配的基底层，在基底层上顺序放置铜网或泡沫铜、金刚石颗粒和金属箔片。
8.根据权利要求6-7所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述的超声滚压固相焊接工艺参数为：超声波压力为0.1-0.5MPa，滚压宽度不高于20mm，超声波压头表面粗糙度不高于32Ra，超声波功率2KW以上。
9.根据权利要求6-7所述的金刚石层铺铜基高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述的扩散焊工艺参数为：将扩散焊炉内抽真空至0.01Pa之下；以20℃/min速率升温到500℃，保温10min；随后以10℃/min速率升温到850℃，保温30min，压力均为5MPa；随后在真空箱中冷却至室温。
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