CN1291419C - 一种SiC/Cu复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种SiC/Cu复合材料及其制备方法,它涉及一种高致密、低成本SiC/Cu复合材料及其制备工艺。它由SiC颗粒和紫铜或黄铜制成,SiC颗粒占50~75vol%,紫铜或黄铜占25~50vol%。本发明的制备方法是:(1)装填:将SiC颗粒装入模具的型腔之内,压制成预制块;(2)预热:将装有SiC颗粒的模具预热至900℃~1100℃,紫铜或黄铜加热至熔化;(3)浇铸:将熔化的紫铜或黄铜浇注到模具内;(4)加压浸渗:通过压力机施加压力,压力为40MPa~60MPa,使紫铜或黄铜液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中;(5)保压冷却:紫铜或黄铜液体完全浸渗之后,保持压力并冷却;(6)脱模,取出铸锭。本发明的SiC/Cu复合材料具有高致密(>98.5%)、高导热、高强度、高模量、低膨胀的优点,制作方法具有容易控制,生产成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高致密、低成本SiC/Cu复合材料及其制备工艺。
背景技术
电子封装材料需要高导热和低膨胀性能。传统的电子封装材料主要是陶瓷和金属。其中陶瓷材料Al2O3、AlN、BeO等的热膨胀系数虽低,但导热性较差,而金属材料如Cu,Al虽然导热性较好,但热膨胀系数较高,都难以同时满足高导热和低膨胀要求。典型SiC颗粒的热膨胀系数为3.4×10-6/℃,弹性模量为450GPa,密度较低为3.2g/cm3,而铜的热导率高达397W/(m·℃),热膨胀系数仅为17.7×10-6/℃。可以通过对SiC和Cu两相参数的设计,获得高导热率和低膨胀系数的复合材料。SiC/Cu复合材料作为高导热,低膨胀的电子封装材料代替传统的Al2O3、AlN、BeO等陶瓷和Cu、Invar合金等,不仅可以解决其导热性问题,而且密度较低、热膨胀系数(CTE)可调,其中SiC颗粒,具有良好的物理性能,充足的来源及低廉的成本。近年来,SiC/Cu复合材料研究日益增多。目前SiC/Cu复合材料的主要制备方法是粉末冶金法(Power MetallurgicalMethod),其主要工艺过程为:通过物理机械方法制取复合材料粉末;复合粉末高压成型;成型复合粉末在真空或惰性气体保护下热压烧结或热等静压烧结。这种方法能够做到器件净成形或接近于净成形,但其设备工艺复杂且昂贵,增强体体积分数较低(Vf<50%)且分布不均,更主要的是材料致密度较差(<85%)。复合材料的致密度对复合材料的性能有着决定性的影响,较低的致密度会使复合材料的强度、热导率降低,导致材料整体性能下降而无法使用。为了解决致密度较差问题,有人利用化学镀先在SiC颗粒表面覆盖金属Cu,或Ni,再通过混粉,成型,烧结的方法来制备SiC/Cu复合材料,可获得相对较高的致密度(<95%),但工艺更加复杂,且致密度也难以达到要求。
发明内容
为解决传统电子封装材料不能同时满足低膨胀、高导热的性能要求,以及现有的SiC/Cu复合材料致密度低,热导率低,制备方法难控制,生产成本高的问题。本发明提供了一种SiC/Cu复合材料及其制造方法,SiC/Cu复合材料具有高致密、高导热、高强度、高模量、低膨胀的特点;制作方法具有容易控制、生产成本低的特点。本发明的SiC/Cu复合材料由SiC颗粒和紫铜或黄铜制成,SiC颗粒占50~75vol%,紫铜或黄铜占25~50vol%;所述SiC颗粒的粒径为10~100μm。本发明的制备方法是:(1)装填:将SiC颗粒装入模具的型腔之内,压制成预制块;(2)预热:将装有SiC颗粒的模具预热至900℃~1100℃,紫铜或黄铜加热至熔化;(3)浇铸:将熔化的紫铜或黄铜浇注到模具内;(4)加压浸渗:通过压力机施加压力,压力为40MPa~60MPa,使紫铜或黄铜液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中;(5)保压冷却:紫铜或黄铜液体完全浸渗之后,保持压力并冷却;(6)脱模,取出铸锭。所述紫铜或黄铜的加热温度为1200℃~1400℃。本发明的SiC/Cu复合材料具有高致密(>98.5%)、高导热、高强度、高模量、低膨胀的优点,制作方法具有容易控制,产生成本低的优点。本材料可直接应用于大规模集成电路和大功率微波器件中的基片、嵌块、连接件和散热元件,以及雷达TR模块等。
附图说明
图1是本发明SiC/Cu复合材料制备方法所用模具的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的SiC/Cu复合材料由SiC颗粒和紫铜或黄铜制成,SiC颗粒占50~75vol%,紫铜或黄铜占25~50vol%;所述SiC颗粒的粒径为10~100μm。
具体实施方式二:本实施方式中SiC颗粒占60vol%,紫铜或黄铜占40vol%。
具体实施方式三:本实施方式中SiC颗粒占66vol%,紫铜或黄铜占34vol%。
具体实施方式四:本实施方式的SiC/Cu复合材料是在SiC颗粒中渗入铜熔体。该SiC/Cu复合材料制备方法所用的装置(参阅图1)由冲头1、模具体4、压力机台面5和电炉6组成。模具内腔上部为铸腔2,下部为型腔3。其制备方法是:按具体实施方式一取SiC颗粒和紫铜或黄铜,(1)将SiC颗粒装入模具的型腔之内,按设定体积分数压制成预制块;(2)预热:将装有SiC颗粒的模具预热至900℃~1100℃,紫铜或黄铜加热至熔化;(3)浇铸:将熔化的紫铜或黄铜浇注到模具内;(4)加压浸渗:通过压力机施加压力,使铜液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中;(5)保压冷却:铜液体完全浸渗之后,保持压力并冷却;(6)脱模,取出铸锭。所述紫铜或黄铜的加热温度为1200℃~1400℃。在加压浸渗过程中施加的压力为40MPa~60MPa。
具体实施方式五:本实施方式的制备步骤是:(1)SiC颗粒装填:将平均粒径为10μm的SiC颗粒装入模具型腔,型腔体积为φ65×50mm,装入262g,压实。此时预计体积率约为50%;(2)预热。将装有颗粒的模具在电炉中加热至900℃,取1500g紫铜(大于铜材料的容积比,便于装入铸腔施压,多余的铜材料浮在上面,在冷却后经切割去除),紫铜在另一电炉中加热至1400℃;(3)浇铸:将基体铜浇注至模具铸腔之内;(4)加压:通过压力机施加压力,此时压力为40MPa;(5)保压冷却:紫铜液体完全浸渗之后,保持压力;(6)自然冷却脱模,取出铸锭材料。性能测试结果:致密度为98.87%,热膨胀系数为8.9×10-6/℃,弯曲强度为500MPa,弹性模量为165GPa。
具体实施方式六:本具体实施方式的SiC/Cu复合材料的制备步骤是:(1)SiC颗粒装填:将平均粒径为20μm和60μm的SiC颗粒各50%混合,装入模具型腔,型腔体积为φ65×50mm,装入395g,压实,此时预计体积率约为75%;(2)预热:将装有SiC颗粒的模具在电炉中加热至950℃,取1500g黄铜(大于铜材料的容积比,便于装入铸腔施压,多余的铜材料浮在上面,在冷却后经切割去除),黄铜在另一电炉中加热至1300℃;(3)浇铸:将基体铜浇注至模具铸腔之内;(4)加压:通过压力机施加压力,此时压力为60MPa;(5)保压冷却:黄铜液体完全浸渗之后,保持压力;自然冷却到300℃;(6)脱模,取出铸锭材料。性能测试结果:致密度为98.75%,热膨胀系数为6.5×10-6/℃,弯曲强度为420MPa,弹性模量为240GPa。
具体实施方式七:本具体实施方式的SiC/Cu复合材料制备步骤是:(1)颗粒装填:将平均粒径为40μm的SiC颗粒装入模具型腔,型腔体积为φ65×50mm,装入316g,压实,此时预计体积率约为60%;(2)预热:将装有SiC颗粒的模具在电炉中加热至1000℃,取1500g紫铜(大于铜材料的容积比,便于装入铸腔施压,多余的铜材料浮在上面,在冷却后经切割去除),紫铜在另一电炉中加热至1350℃熔化;(3)浇铸:将基体铜浇注至模具铸腔之内;(4)加压:通过压力机施加压力,此时压力为50MPa;(5)保压冷却:保持压力50MPa不变,温度降至400℃时卸载;(6)脱模,取出铸锭材料。性能测试结果:致密度为99.21%,热膨胀系数为7.6×10-6/℃,弯曲强度为480MPa,弹性模量为200GPa。
具体实施方式八:本具体实施方式的SiC/Cu复合材料制备步骤是:(1)SiC颗粒装填:将粒径为85μm的SiC颗粒装入模具型腔,型腔体积为φ65×5mm,装入342g,压实,此时预计体积率约为65%;(2)预热:将装有SiC颗粒的模具在电炉中加热至1100℃,取1500g紫铜(大于铜材料的容积比,便于装入铸腔施压,多余的铜材料浮在上面,在冷却后经切割去除),紫铜并在另一电炉中加热至1400℃熔化;(3)浇铸:将基体铜合金浇注至模具铸腔之内;(4)加压:通过压力机施加压力,此时压力为40MPa;(5)保压冷却:保持压力40MPa不变,温度降至500℃时卸载;(6)脱模,取出铸锭材料。性能测试结果:致密度为98.89%,热膨胀系数为7.2×10-6/℃,弯曲强度为450MPa,弹性模量为220GPa。
Claims (5)
1、一种SiC/Cu复合材料,它由SiC颗粒和紫铜或黄铜制成,其特征在于SiC颗粒占50~75vol%,紫铜或黄铜占25~50vol%,所述SiC颗粒的粒径为10~100μm。
2、根据权利要求1所述的一种SiC/Cu复合材料,其特征在于SiC颗粒占60vol%,紫铜或黄铜占40vol%。
3、根据权利要求1所述的一种SiC/Cu复合材料,其特征在于SiC颗粒占66vol%,紫铜或黄铜占34vol%。
4、一种制备权利要求1、2或3所述SiC/Cu复合材料的方法,其特征在于(1)装填:将SiC颗粒装入模具的型腔之内,压制成预制块;(2)预热:将装有SiC颗粒的模具预热至900℃~1100℃,紫铜或黄铜加热至熔化;(3)浇铸:将熔化的紫铜或黄铜浇注到模具内;(4)加压浸渗:通过压力机施加压力,压力为40MPa~60MPa,使紫铜或黄铜液体浸渗到SiC颗粒之间的间隙之中;(5)保压冷却:紫铜或黄铜液体完全浸渗之后,保持压力并冷却;(6)脱模,取出铸锭。
5、根据权利要求4所述的一种SiC/Cu复合材料的制备方法,其特征在于所述紫铜或黄铜的加热温度为1200℃~1400℃。
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