CN112974809B - 一种金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法 - Google Patents

一种金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法 Download PDF

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Abstract

一种金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法，涉及一种复合材料表面覆铜的方法。目的是解决现有通过电镀的方法覆铜时间长，覆铜层致密度差，不均匀的问题。方法：在模具内平铺球形铜粉或铜箔，放置金刚石/铜复合材料，金刚石/铜复合材料表面平铺一定厚度球形铜粉或铜箔；或在模具内平铺球形铜粉或铜箔，在球形铜粉或铜箔上放置金刚石/铜复合材料；或在模具内放置金刚石/铜复合材料，在金刚石/铜复合材料表面平铺球形铜粉或铜箔；放电等离子烧结。本发明三明治结构的金刚石铜覆铜材料制备效率高、覆铜层均匀、光洁度高，致密度高；表面可以研磨抛光，也可以加工凸台、凹槽等形状，方便焊接。本发明适用于金刚石/铜复合材料表面覆铜。

Description

一种金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料表面覆铜的方法。
背景技术
随着各种器件功率和集成度的不断提高，传统导散热材料已逐渐难以满足需求，高导热金刚石/铜复合材料作为新一代的热管理材料，以其出色的导热性能和较低的热膨胀系数，应用在集成散热片、激光二极管散热基板、固态激光器热沉、CPU热沉或者散热片、高功率电子器件基片(如IGBT基片)、LED散热片、HB-LED散热片、射频和微波封装热沉、微电子封装热沉、高热载电子器件热管理材料等诸多领域，高导热金刚石/铜复合材料可作为传统导热散热材料的升级替代产品，使得器件温升得到大幅下降。
金刚石/铜复合材料进行加工或焊接前需要在表面制备一层覆铜层，由于金刚石与铜的电极电位相差较大，在金刚石/铜复合材料表面通过电镀的方法覆铜所需时间长，并且所制备的覆铜层致密度差，不均匀，因此现有技术中缺少成熟的金刚石/铜复合材料的覆铜技术。
发明内容
本发明为了解决现有金刚石/铜复合材料通过电镀的方法覆铜时间长，并且所制备的覆铜层致密度差且不均匀的问题，提出一种金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法。
本发明金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法按照以下步骤进行：
一、准备高热导率金刚石/铜复合材料；
二、在模具内平铺厚度为0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，在球形铜粉或铜箔上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，最后在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，得到预制件；
或在模具内平铺厚度为0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，在球形铜粉或铜箔上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，得到预制件；
或在模具内放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度0.1～100mm的铜粉或铜箔，得到预制件；
三、采用放电等离子烧结对预制件进行烧结，完成覆铜。
本发明具备以下有益效果：
等离子放电烧结技术是粉末冶金的一种手段，但是单纯采用此种方法烧结的金属块体材料致密度不高。本申请将气压浸渗技术所得的高热导率金刚石/铜复合材料与放电等离子烧结技术结合，制备出三明治结构的金刚石铜覆铜材料，制备效率高、覆铜层均匀、光洁度高，致密度高；解决了金刚石/铜复合材料不易焊接、不易加工的问题；金刚石/铜复合材料与上下覆铜层之间为冶金结合，能最小程度的影响金刚石/铜复合材料的导热性，覆铜之后金刚石/铜复合材料的热导率下降不超过200W/mK。本发明使金刚石铜材料的表面加工成为可能，制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料的表面可以使用机加工的方法加工凸台、凹槽等形状，更加方便与芯片、PCB板等焊接；可以进行研磨抛光实现高表面光洁度，抛光之后表面光洁度可以优于0.8μm，有助于推动金刚石铜材料作为热沉的大规模应用。
附图说明
图1为实施例1制备的表面覆铜的金刚石/铜复合材料；
图2为实施例2制备的表面覆铜的金刚石/铜复合材料；
图3为实施例2制备的表面覆铜的金刚石/铜复合材料的截面扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法按照以下步骤进行：
一、准备高热导率金刚石/铜复合材料；
二、在模具内平铺厚度为0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，在球形铜粉或铜箔上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，最后在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，得到预制件；
或在模具内平铺厚度为0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，在球形铜粉或铜箔上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，得到预制件；
或在模具内放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度0.1～100mm的铜粉或铜箔，得到预制件；
三、采用放电等离子烧结对预制件进行烧结，完成覆铜。
等离子放电烧结技术是粉末冶金的一种手段，但是单纯采用此种方法烧结的金属块体材料致密度不高。本实施方式将气压浸渗技术所得的高热导率金刚石/铜复合材料与放电等离子烧结技术结合，制备出三明治结构的金刚石铜覆铜材料，制备效率高、覆铜层均匀、光洁度高，致密度高；解决了金刚石/铜复合材料不易焊接、不易加工的问题；金刚石/铜复合材料与上下覆铜层之间为冶金结合，能最小程度的影响金刚石/铜复合材料的导热性，覆铜之后金刚石/铜复合材料的热导率下降不超过200W/mK。本实施方式使金刚石铜材料的表面加工成为可能，制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料的表面可以使用机加工的方法加工凸台、凹槽等形状，更加方便与芯片、PCB板等焊接；可以进行研磨抛光实现高表面光洁度，抛光之后表面光洁度可以优于0.8μm，有助于推动金刚石铜材料作为热沉的大规模应用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料通过气压浸渗方法制备，热导率为600W/mK～900W/mK，表面粗糙度为1.6～6.3μm，长度不大于100mm，宽度不大于100mm，厚度为0.2～100mm。
本实施方式制备时采用的高热导率金刚石/铜复合材料的厚度为0.2～100mm，球形铜粉铺层厚度或铜箔的厚度为0.1～100mm；所制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料上下两面的覆铜层的厚度为0.1～100mm，中间层厚度0.2～100mm。
高热导率金刚石/铜复合材料为平板状如方形平板或者圆形平板，或者高热导率金刚石/铜复合材料为柱状如方形柱或者圆形柱；
具体实施方式三：本实施方式与体实施二不同的是：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料通过气压浸渗方法制备，热导率为700W/mK～800W/mK，表面粗糙度为2.6～5.3μm，长度为40～80mm，宽度为40～80mm，厚度为1～8mm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料中金刚石颗粒尺寸为100～400μm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料中金刚石颗粒尺寸为200～300μm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述铜粉为球形铜粉或者片状铜粉。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述球形铜粉的直径为15～100μm，纯度为99.85％。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述球形铜粉的直径为15～45μm，纯度为99.85％。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二所述铜粉或铜箔的材质为纯铜或者铜合金，所述铜合金铜钨合金、铜钼合金等。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三所述放电等离子烧结的温度为850～880℃，保温时间不超过10min，烧结时向模具内预制件施加的压力为20～30MPa。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：步骤三所述放电等离子烧结的温度为800～900℃，保温时间为4～8min，烧结时向模具内预制件施加的压力为20～30MPa。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料为平板状或者柱状。
实施例1：
本实施例金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法按照以下步骤进行：
一、取采用气压浸渗方法制备的平板状的高热导率金刚石/铜复合材料；
所述高热导率金刚石/铜复合材料的热导率为730W/mK，表面粗糙度为1.6μm，尺寸100mm×100mm，厚度为1mm；制备的复合材料中增强体的体积分数为67％，热扩散系数为314mm2/s；
二、在模具内平铺厚度为0.35mm的球形铜粉，在球形铜粉上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，最后在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度0.35mm的球形铜粉，得到预制件；
所述球形铜粉的直径为15～45μm，纯度为99.85％；
所述球形铜粉材质为纯铜；
三、采用放电等离子烧结对预制件进行烧结，完成覆铜；
所述放电等离子烧结的温度为870℃，保温时间为9min，烧结时向模具内预制件施加的压力为28MPa；
本实施例制备时采用的高热导率金刚石/铜复合材料的厚度为1mm，球形铜粉铺层厚度为上下各0.35mm；所制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料上下两面的覆铜层的厚度均为0.28mm，中间层厚度1mm；
本实施例提出一种通过放电等离子烧结的方法在金刚石/铜复合材料上下表面覆铜的方法，制备效率高、覆铜层均匀、光洁度高，致密度高；解决了金刚石/铜复合材料不易焊接、不易加工的问题；金刚石/铜复合材料与上下覆铜层之间为冶金结合。能最小程度的影响金刚石/铜复合材料的导热性，覆铜之后金刚石/铜复合材料的热导率下降不超过200W/mK。制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料的表面可以使用机加工的方法加工凸台、凹槽等形状，更加方便与芯片、PCB板等焊接。由于金刚石非常坚硬，材料难以加工，无法在复合材料表面加工凸台等微结构。图1实施例1制备的表面覆铜的金刚石/铜复合材料，表面抛光之后，表面光洁度优于0.8μm。
实施例2：
本实施例2金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法按照以下步骤进行：
一、采用气压浸渗方法制备平板状的高热导率金刚石/铜复合材料；
所述高热导率金刚石/铜复合材料的热导率为832W/mK，表面粗糙度为1.6μm，尺寸50mm×50mm，厚度为2.03mm；制备的复合材料中增强体的体积分数为66％，热扩散系数354mm2/s；
二、在模具内平铺厚度为0.81mm的铜箔，在铜箔上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度为4.03mm的铜箔，得到预制件；
所述铜箔为含铜量大于99.85％的纯铜或者铜合金，所述铜合金为铜钼合金；
三、采用放电等离子烧结对预制件进行烧结，完成覆铜；
所述放电等离子烧结的温度为890℃，保温时间为9min，烧结时向模具内预制件施加的压力为30MPa；
本实施例制备时采用的高热导率金刚石/铜复合材料的厚度为2.03mm，铜箔铺层厚度为上0.81mm，下4.03mm；所制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料上、下两面的覆铜层的厚度为0.65mm和3.2mm，中间层厚度2.03mm；
本实施例提出一种通过放电等离子烧结的方法在金刚石/铜复合材料上下表面覆铜的方法，制备效率高、覆铜层均匀、光洁度高，致密度高；解决了金刚石/铜复合材料不易焊接、不易加工的问题；金刚石/铜复合材料与上下覆铜层之间为冶金结合，最小程度的影响金刚石/铜复合材料的导热性，覆铜之后金刚石/铜复合材料的热导率下降不超过200W/mK。制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料的表面可以使用机加工的方法加工凸台、凹槽等形状，更加方便与芯片、PCB板等焊接。可以单面覆铜，也可以双面覆铜。可以进行研磨抛光实现高表面光洁度。
图2为实施例2制备的表面覆铜的金刚石/铜复合材料；图3为实施例2制备的表面覆铜的金刚石/铜复合材料的截面扫描电镜照片。由图3可见，金刚石/铜复合材料与覆铜层之间为冶金结合。
实施例3：
本实施例金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法按照以下步骤进行：
一、取采用气压浸渗方法制备的高热导率金刚石/铜复合材料；
所述高热导率金刚石/铜复合材料的热导率为720W/mK，表面粗糙度为1.6μm，高热导率金刚石/铜复合材料为方形柱，截面为矩形，截面尺寸为10mm×10mm，高度为40mm；制备的复合材料中增强体的体积分数为67％，热扩散系数为310mm2/s；
二、在模具内平铺厚度为0.5mm的球形铜粉，在球形铜粉上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，最后在高热导率金刚石/铜复合材料的上表面平铺厚度0.5mm的球形铜粉，得到预制件；
所述球形铜粉的直径为15～45μm，纯度为99.85％；
所述球形铜粉材质为纯铜；
三、采用放电等离子烧结对预制件进行烧结，完成覆铜；
所述放电等离子烧结的温度为870℃，保温时间为9min，烧结时向模具内预制件施加的压力为28MPa；
本实施例制备时采用的高热导率金刚石/铜复合材料的厚度为40mm，球形铜粉铺层厚度为上下各0.5mm；所制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料上下两面的覆铜层的厚度均为0.4mm，中间层厚度40mm；
本实施例提出一种通过放电等离子烧结的方法在金刚石/铜复合材料上下表面覆铜的方法，制备效率高、覆铜层均匀、光洁度高，致密度高；解决了金刚石/铜复合材料不易焊接、不易加工的问题；金刚石/铜复合材料与上下覆铜层之间为冶金结合。能最小程度的影响金刚石/铜复合材料的导热性，覆铜之后金刚石/铜复合材料的热导率下降不超过200W/mK。制备的覆铜后的金刚石/铜复合材料的表面可以使用机加工的方法加工凸台、凹槽等形状，更加方便与芯片、PCB板等焊接。由于金刚石非常坚硬，材料难以加工，无法在复合材料表面加工凸台等微结构。

Claims (5)

1.一种金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法，其特征在于：金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法按照以下步骤进行：
一、准备高热导率金刚石/铜复合材料；
步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料通过气压浸渗方法制备，热导率为600W/mK～900W/mK，表面粗糙度为1.6～6.3μm，长度不大于100mm，宽度不大于100mm，厚度为0.2～100mm；
二、在模具内平铺厚度为0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，在球形铜粉或铜箔上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，最后在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，得到预制件；
或在模具内平铺厚度为0.1～100mm的球形铜粉或铜箔，在球形铜粉或铜箔上放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，得到预制件；
或在模具内放置步骤一中的高热导率金刚石/铜复合材料，在高热导率金刚石/铜复合材料表面平铺厚度0.1～100mm的铜粉或铜箔，得到预制件；
所述球形铜粉的直径为15～100μm，纯度为99.85％；
三、采用放电等离子烧结对预制件进行烧结，完成覆铜；覆铜用于金刚石铜材料的表面加工；
步骤三所述放电等离子烧结的温度为850～880℃，保温时间不超过10min，烧结时向模具内预制件施加的压力为20～30MPa。
2.根据权利要求1所述的金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法，其特征在于：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料为平板状或者柱状。
3.根据权利要求1所述的金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法，其特征在于：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料通过气压浸渗方法制备，热导率为700W/mK～800W/mK，表面粗糙度为2.6～5.3μm，长度为40～80mm，宽度为40～80mm，厚度为1～8mm。
4.根据权利要求1所述的金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法，其特征在于：步骤一所述高热导率金刚石/铜复合材料中金刚石颗粒尺寸为100～400μm。
5.根据权利要求1所述的金刚石/铜复合材料表面覆铜的方法，其特征在于：步骤二所述球形铜粉或铜箔的材质为纯铜或者铜合金，所述铜合金为铜钨合金或铜钼合金。
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