一種高導熱金剛石熱沉材料及其製備方法
2023-10-05 18:19:54 1
專利名稱：一種高導熱金剛石熱沉材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種金剛石熱沉材料及其製備方法，具體為一種高導熱、可調熱膨脹匹配的金剛石-銅複合熱沉材料及其製備方法。
背景技術：
隨著電子封裝系統高密度、多功能、微型化的發展，電子器件的散熱問題成為制約電子工業發展的關鍵問題，迫切需要研製高熱導率且熱膨脹匹配的新型封裝用熱沉材料。 傳統散熱材料，如Cu、Al等，具有較高的熱導率(分別為40Iff · m-1 · Κ。· · m-1 · K-1)， 但其熱膨脹係數高達16. Txio-6K-1^sxio-6K-1,與Si、GaAs等基片材料相差極大(分別為 2. 5 X IO-6K-1A. 86 X 10- -1)。BeO、SiC、AlN等陶瓷材料熱導率相對較高，化學穩定性好，熱膨脹係數與半導體材料近似，但加工較為困難，尤其是BeO有劇毒且成本高。高品質金剛石是世界上已知熱導率最高的材料，天然IIa型金剛石熱導率最高可達2200W · πΓ1 · K—1，它還具有高電阻率和高擊穿場強、低介電常數、低熱膨脹等特點，因此在電子封裝領域具有廣泛的應用前景。金剛石用作熱沉材料主要有兩種形式，即金剛石薄膜和將金剛石與銅、鋁等金屬複合。據報導金剛石薄膜熱導率可達800W ^nT1 ^r115目前其製備技術已相對成熟，但合成條件十分苛刻，且由於金剛石薄膜具有低熱膨脹(CTE僅為 ι χ 10- -1)、難與金屬潤溼和焊接等特點，導致金剛石薄膜與其他器件及焊料的組裝和應用受到很大限制。而將金剛石與銅、鋁等金屬複合，通過調節金剛石體積分數實現高熱導和可調熱膨脹，可滿足系統散熱和組裝工藝的要求。因此金剛石-金屬複合材料已成為國內外先進熱沉材料的新寵，被譽為第三代熱管理材料。0. Beffort等採用擠壓鑄造法製備Al/金剛石複合材料熱導率約為375W .nT1 -Γ1, 金剛石體積分數在50% 70%之間。khubert等採用熱壓方法製備了金剛石體積分數為 42%的金剛石-Cu複合材料，熱導率達640W · πΓ1 · K—1。Yoshida等人採用熱壓法製得金剛石體積分數60%的金剛石-Cu複合材料熱導率約為395W · πΓ1 · IT1。Ε. A. Ekimov等採用高溫高壓製備的金剛石複合材料熱導率高達900W .m-1 'IT1,其中金剛石體積分數高達93% 95%。國內研究人員對金剛石-Cu複合材料的研究顯示，採用熔滲法、SPS燒結等方法製備的金剛石複合熱沉材料熱導率極低，大大低於理論值。出現熱導率提升瓶頸的原因，與複合材料熱導率影響因素有很大關係。複合材料的有效熱傳導能力不僅是各組元熱導率、幾何分布及其體積分數的函數，而且還受到各組元之間界面特性的巨大影響。金剛石表面能極低，與銅潤溼困難，燒結後金剛石/銅界面呈弱機械結合，且熱膨脹係數差異會引起顯著界面熱阻效應。界面熱阻效應使複合材料的有效熱導率或熱擴散係數降低一至兩個數量級， 從而嚴重破壞了金剛石-銅的熱導率。因此，為了充分發揮金剛石在熱傳導方面的優異性能，必須在增強界面粘結強度的前提下儘可能降低界面熱阻。
發明內容
本發明的目的之一在於解決金剛石與銅這兩種異質材料的界面粘結和界面熱阻
3問題，充分發揮金剛石高導熱的特性，製備高熱導、熱膨脹匹配的金剛石-銅熱沉材料。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案—種高導熱金剛石熱沉材料，由基體銅、金剛石顆粒和鈷構成，其特徵在於鈷的含量以質量分數計為0. 1 1. 5 %，其餘為金剛石顆粒和銅；在金剛石顆粒和銅中，所述金剛石顆粒含量以體積百分比計為70% 90%。一種優選的技術方案，其特徵在於金剛石顆粒的粒徑為10 μ m 200 μ m。本發明的另一個目的是提供一種高導熱金剛石-銅複合熱沉材料的製備方法，將抽濾處理後的金剛石與銅粉、含鈷合金基底按燒結單元裝配圖組裝好後進行真空熱處理。 採用高溫高壓燒結方法製備金剛石-銅熱沉材料，利用合金基底中鈷的擴散實現添加劑的加入，調整合金基底成分以控制熱沉材料中鈷元素含量在0. 1. 5%之間。採取的具體技術方案如下一種高導熱金剛石熱沉材料的製備方法，包括以下步驟①金剛石顆粒預處理將金剛石顆粒分別在煮沸的稀HNO3溶液、NaOH溶液中各煮 30min，冷卻後用去離子水衝洗至中性，在真空設備中進行抽濾處理；②裝配燒結單元打磨和拋光包套表面，將包套和墊片進行去油、超聲波清洗、紅外烘乾；將金剛石顆粒和銅粉溼混均勻後放入包套內，裝配含鈷合金基底，組裝成燒結單元組件；③高溫高壓燒結燒結溫度為800°C 1300°C，燒結壓力為4GPa 8GPa，燒結時間為9 15min ；④後續加工採用金剛石磨具打磨去除外層包套，線切割加工將金剛石-銅複合材料從合金基底上切下，磨床打磨切面至光亮。一種優選的技術方案，其特徵在於在裝配燒結單元之前，還包括銅粉還原處理步驟，即將銅粉用氫氣還原，還原溫度為300°C 500°C，時間為1 3h。在銅粉氧含量較高時可選擇採用該步驟。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟①中，所述抽濾處理的溫度為400°C 600°C，處理時間為證 8h，以進一步去除金剛石表面吸附的氧、氮、水蒸汽等雜質。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟②中，所述真空烘箱真空度為10-2 ，溫度為 120°C 300°C。一種優選的技術方案，其特徵在於所述的含鈷合金為YG8牌號硬質合金，鈷含量以質量分數計約8%。熱沉材料中的添加劑鈷來自含鈷合金中鈷的擴散。高溫高壓燒結條件下金剛石燒結單元穩定處於觸媒反應區，添加劑鈷促使形成低熱阻的金剛石-金剛石界面，並有效改善粘結相銅與金剛石顆粒的界面結合。本發明的優點在於本發明的高熱導金剛石熱沉材料，採用高溫高壓燒結方法製備，由基體銅、具有低熱膨脹高熱導率的增強相金剛石顆粒和改善金剛石/銅界面結合狀態的添加劑鈷構成，以銅為粘結相，以高導熱金剛石顆粒為增強相，熱沉材料形成以金剛石-金剛石界面為主、結合緊密、強度高的界面結構，熱導率最高可達639W·!!!-1 · K—1。本發明製備的金剛石-銅熱沉材料具有熱導率高、熱膨脹係數可調的特點，可通過調整增強相體積分數，在滿足高導熱能力的同時改善與基板材料的熱膨脹匹配。
本發明在高溫高壓燒結條件下，通過添加劑鈷實現金剛石和銅的良好潤溼，提高金剛石/銅異質材料界面的結合強度。以不同鈷含量的合金基底調整熱沉材料中鈷的添加量。調節燒結參數使燒結過程穩定在金剛石觸媒反應區，促使複合材料形成金剛石-金剛石結構為主的低熱阻、強冶金結合界面，降低了異質材料界面熱阻對熱導率的影響，複合熱沉材料熱導率最高可達639W · πΓ1 · K—1。該方法可製備出熱導率高的金剛石-Cu複合熱沉材料。下面通過附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明，但並不意味著對本發明保護範圍的限制。
圖1為燒結單元裝配圖。圖2為本發明工藝流程圖。圖3為實施例1製備的金剛石熱沉材料界面狀態。圖4為實施例2製備的金剛石熱沉材料界面狀態。圖5為實施例3製備的金剛石熱沉材料界面狀態。圖6為實施例4製備的金剛石熱沉材料界面狀態。
具體實施例方式實施例1 選用170目 200目金剛石單晶顆粒(平均粒徑約80 μ m)和325目 400目銅粉。在金剛石顆粒和銅中，金剛石顆粒體積分數為80%。按照圖2所示的工藝流程來製備金剛石-銅複合熱沉材料。金剛石單晶顆粒分別在煮沸的稀HNO3溶液、NaOH溶液中煮30min，冷卻後用去離子水衝洗至中性，在真空設備中進行抽濾處理，抽濾溫度為500°C，處理時間為5h，以進一步去除金剛石表面吸附的氧、氮、 水蒸汽等雜質。按照設定比例將金剛石顆粒與銅粉在混料機中溼混池，溼混介質為酒精。混合均勻後，按燒結單元裝配圖組裝。如圖1所示，為本發明燒結單元裝配圖，其中1為電極，2為墊片，3為包套，4為混合粉末，5為含鈷合金基底，6為模具。先打磨和拋光包套3表面，將包套3和墊片2進行去油、超聲波清洗、紅外烘乾；將金剛石顆粒和銅粉溼混均勻後得到的混合粉末4放入包套3內，裝配含鈷合金基底5，含鈷合金基底5採用YG8合金，鈷含量為 8wt. %。組裝成燒結單元組件，真空熱處理，置於真空烘箱(10』a，120°C 300°C)中備用。 進行高溫高壓燒結，燒結溫度900 1100°C，燒結壓力5. 5 8GPa，燒結時間9 llmin。採用金剛石磨具打磨去除外層包套，線切割加工將金剛石-銅複合材料從合金基底上切下， 磨床打磨切面至光亮。採用此工藝製備的金剛石-銅熱沉材料鈷含量約為1. 05%，密度4. 911g/cm3，熱導率約為639W.HT1 .Κ—1。熱膨脹係數4. 044Χ ΙΟΙ—1，接近Si、GaAs的熱膨脹係數。本實施例製備的金剛石熱沉材料的界面狀態如圖3所示。實施例2 選用170目 200目金剛石單晶顆粒(平均粒徑約80 μ m)和325目 400目銅粉。在金剛石顆粒和銅中，金剛石顆粒體積分數80%。金剛石單晶顆粒分別在稀HNO3溶液、NaOH溶液中煮30min，冷卻後用去離子水衝洗至中性，在真空設備中進行抽濾處理，抽濾溫度為400°C，處理時間為證 7h，以進一步去除金剛石表面吸附的氧、氮、水蒸汽等雜質。按照設定比例將金剛石顆粒與銅粉在混料機中溼混池，溼混介質為酒精。混合均勻後，按燒結單元裝配圖組裝，先打磨和拋光包套3表面，將包套3和墊片2進行去油、 超聲波清洗、紅外烘乾；將金剛石顆粒和銅粉溼混均勻後得到的混合粉末4放入包套3內， 裝配含鈷合金基底5，含鈷合金基底5採用YG8合金，鈷含量為8% w. t.。組裝成燒結單元組件。進行高溫高壓燒結，燒結溫度1000 1200°C，燒結壓力5. 5 8GPa，燒結時間9 Ilmin0採用金剛石磨具打磨去除外層包套，線切割加工將金剛石-銅複合材料從合金基底上切下，磨床打磨切面至光亮。採用此工藝製備的金剛石-Cu熱沉材料鈷含量約為0. 71%，密度4. 870g/cm3，熱導率約為616W · πΓ1 · ΚΛ本實施例製備的金剛石熱沉材料的界面狀態如圖4所示。實施例3 選用325目 400目金剛石單晶顆粒(平均粒徑約40 μ m)和325目 400目銅粉。在金剛石顆粒和銅中，金剛石顆粒體積分數80%。金剛石單晶顆粒分別在稀HNO3溶液、NaOH溶液中煮30min，冷卻後用去離子水衝洗至中性，抽濾處理，抽濾溫度為600°C，處理時間為6h。將銅粉用氫氣還原，還原溫度為 300°C，時間為池。按照設定比例將金剛石顆粒與銅粉在混料機中溼混池，溼混介質為酒精。混合均勻後，按燒結單元裝配圖組裝，組裝成燒結單元組件。進行高溫高壓燒結。燒結溫度900 1100°C，燒結壓力4 5. 5GPa，燒結時間9 llmin。其它操作同實施例1。採用此工藝製備的金剛石-Cu熱沉材料鈷含量約為1. 05%，密度4. 715g/cm3，熱導率約為MOW · πΓ1 · Γ1,熱膨脹係數4. 403Χ Κ^ΚΛ本實施例製備的金剛石熱沉材料的界面狀態如圖5所示。實施例4 選用70目 80目金剛石單晶顆粒(平均粒徑約200 μ m)和325目 400目銅粉。在金剛石顆粒和銅中，金剛石顆粒體積分數70%。金剛石單晶顆粒分別在稀HNO3溶液、NaOH溶液中煮30min，冷卻後用去離子水衝洗至中性，抽濾處理，抽濾溫度為450°C，處理時間為8h。將銅粉用氫氣還原，還原溫度為 500°C，時間為lh。按照設定比例將金剛石顆粒與銅粉在混料機中溼混池，溼混介質為酒精。混合均勻後，按燒結單元裝配圖組裝，組裝成燒結單元組件。進行高溫高壓燒結，燒結溫度900 1100°C，燒結壓力4 5. 5GPa，燒結時間10 12min。其它操作同實施例1。採用此工藝製備的金剛石-Cu熱沉材料鈷含量約為0. 69%，密度4. 899g/cm3，熱導率約為563W · πΓ1 · K—1。本實施例製備的金剛石熱沉材料的界面狀態如圖6所示。
權利要求
1.一種高導熱金剛石熱沉材料，由基體銅、金剛石顆粒和鈷構成，其特徵在於鈷的含量以質量分數計為0. 1 1. 5%，其餘為金剛石顆粒和銅；在金剛石顆粒和銅中，所述金剛石顆粒含量以體積百分比計為70% 90%。
2.根據權利要求1所述的高導熱金剛石熱沉材料，其特徵在於金剛石顆粒的粒徑為 10 μ m 200 μ m。
3.一種高導熱金剛石熱沉材料的製備方法，包括以下步驟①金剛石顆粒預處理將金剛石顆粒分別在煮沸的稀HNO3溶液、NaOH溶液中各煮 30min，冷卻後用去離子水衝洗至中性，在真空設備中進行抽濾處理；②裝配燒結單元打磨和拋光包套表面，將包套和墊片進行去油、超聲波清洗、紅外烘乾；將金剛石顆粒和銅粉溼混均勻後放入包套內，裝配含鈷合金基底，組裝成燒結單元組件；③高溫高壓燒結燒結溫度為800°C 1300°C，燒結壓力為4GPa 8GPa，燒結時間為 9 15min ；④後續加工採用金剛石磨具打磨去除外層包套，線切割加工將金剛石-銅複合材料從合金基底上切下，磨床打磨切面至光亮。
4.根據權利要求3所述的高導熱金剛石熱沉材料的製備方法，其特徵在於在裝配燒結單元之前，還包括銅粉還原處理步驟，即將銅粉用氫氣還原，還原溫度為300°C 500°C， 時間為1 3h。
5.根據權利要求3所述的高導熱金剛石熱沉材料的製備方法，其特徵在於步驟①中， 所述的抽濾處理的溫度為400°C 600°C，處理時間為5h 8h。
6.根據權利要求3所述的高導熱金剛石熱沉材料的製備方法，其特徵在於步驟②中， 所述真空烘箱真空度為10_2Pa，溫度為120°C 300°C。
7.根據權利要求3所述的高導熱金剛石熱沉材料的製備方法，其特徵在於所述的含鈷合金為YG8合金，鈷含量以質量分數計為8%。
全文摘要
本發明涉及一種高導熱金剛石熱沉材料，由基體銅、金剛石顆粒和鈷構成，鈷的含量以質量分數計為0.1～1.5％，其餘為金剛石顆粒和銅；在金剛石顆粒和銅中，金剛石顆粒含量以體積百分比計為70％～90％。將原料粉末與含鈷合金基底裝配成燒結組元，調節燒結參數，進行高溫高壓燒結。複合材料形成金剛石-金剛石為主的強冶金結合界面，降低了異質材料界面熱阻對熱導率的影響，金剛石-銅熱沉材料熱導率最高可達639W·m-1·K-1。本發明製備的金剛石-銅熱沉材料具有熱導率高、熱膨脹係數可調的特點，可通過調整增強相體積分數，在滿足高導熱能力的同時改善與基板材料的熱膨脹匹配。
文檔編號C22C26/00GK102465213SQ20101053429
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月2日 優先權日2010年11月2日
發明者呂宏, 夏揚, 謝元鋒 申請人:北京有色金屬研究總院