一種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子元器件的小型化和集成化導(dǎo)致功率器件的熱流密度急劇增加，相應(yīng)地要求電子封裝材料具有高的熱導(dǎo)率，以便提高熱控系統(tǒng)的散熱能力。金剛石是自然界中熱導(dǎo)率最高的材料，金屬銅也具有高的熱導(dǎo)率，因此金剛石顆粒分散銅基(銅/金剛石)復(fù)合材料具有很好的導(dǎo)熱潛力。然而，由于金剛石與銅之間無化學(xué)反應(yīng)且潤(rùn)濕角大，兩者界面結(jié)合差，所報(bào)道的銅/金剛石復(fù)合材料熱導(dǎo)率僅為100?200W/mK，甚至遠(yuǎn)低于銅的熱導(dǎo)率400W/mK。
[0003]為了解決金剛石與銅之間的界面結(jié)合問題從而提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率，文獻(xiàn)開展了大量的研究工作，包括采用粉末冶金、放電等離子燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)、超高壓熔滲、無壓浸滲等不同制備方法;在金剛石顆粒表面鍍覆鉻、硼、鈦等金屬鍍層;在銅基體中添加鉻、硼、鋯等合金元素。通過以上技術(shù)手段，銅/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率得到提高，達(dá)到500?600W/mK的水平。然而，金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/mK，其導(dǎo)熱潛力仍未充分發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是，通過在銅基體中添加合金元素鈦，利用氣壓浸滲法制備銅/金剛石復(fù)合材料，獲得具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]—種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，銅基體中合金元素鈦的成分范圍為0.3?2.0wt.% ,利用氣壓浸滲法制備銅/金剛石復(fù)合材料。具體制備方法為:
[0007]1)通過真空感應(yīng)熔煉方法將銅塊與鈦塊熔煉獲得銅鈦合金鑄錠；
[0008]2)將金剛石顆粒裝填在型模中，將裝填好的型模放在石墨套筒中并把銅鈦鑄錠放在型模上部，將裝填好的整個(gè)模具放置在高壓氣體輔助熔滲裝置的感應(yīng)加熱區(qū)，連接真空系統(tǒng)和增壓充氣系統(tǒng)；
[0009]3)對(duì)爐體抽真空至真空度小于0.1Pa;
[0010]4)將模具加熱至1100?1200°C并保溫10?60min;
[0011]5)開啟增壓充氣系統(tǒng)向爐體注入高純氬氣，當(dāng)爐內(nèi)氣體壓力達(dá)到0.1?3.0MPa后，關(guān)閉增壓充氣系統(tǒng)并在1100?1200°C下保溫保壓10?60min;
[0012]6)停止加熱，爐溫冷至室溫后取出模具脫模，獲得銅/金剛石復(fù)合材料產(chǎn)品。
[0013]本發(fā)明通過在銅基體中添加合金元素鈦，利用氣壓浸滲法制備銅/金剛石復(fù)合材料，將銅/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提升至752W/mK的更高水平，滿足大功率器件散熱對(duì)高導(dǎo)熱電子封裝材料的迫切需求。
[0014]與其它方法所制備的銅/金剛石復(fù)合材料相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0015]1)通過在銅基體中添加合金元素鈦并利用氣壓浸滲法，所制備銅/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低，具有優(yōu)異的綜合性能；
[0016]2)同樣是在銅基體中添加合金元素鈦，熱壓燒結(jié)制備銅/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率僅為295W/mK;同樣是利用氣壓浸滲法，純銅與金剛石所制備銅/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率僅為141W/mK;結(jié)合銅基體中添加合金元素鈦和氣壓浸滲法，則可獲得熱導(dǎo)率高達(dá)752W/mK的銅/金剛石復(fù)合材料。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1:
[0018]通過真空感應(yīng)熔煉方法將銅塊與鈦塊熔煉，獲得成分為99.5wt.%Cu_0.5wt.%Ti的銅鈦合金鑄錠。將粒度為230μπι的金剛石顆粒裝填在型模中，將裝填好的型模放在石墨套筒中并把成分為99.5wt.%Cu-0.5wt.%Ti的合金塊放在型模上部，再將裝填好的整個(gè)模具放置在高壓氣體輔助熔滲裝置的感應(yīng)加熱區(qū)，連接真空系統(tǒng)和增壓充氣系統(tǒng)。開啟抽真空系統(tǒng)，對(duì)爐體抽真空直至真空度小于0.1Pa。開啟循環(huán)水，啟動(dòng)感應(yīng)加熱器，將模具加熱至1150°C保溫15min。開啟增壓充氣系統(tǒng)向爐體注入高純氬氣，當(dāng)爐內(nèi)氣體壓力達(dá)到l.0MPa后，關(guān)閉增壓充氣系統(tǒng)并保溫保壓15min。停止加熱，當(dāng)爐溫降至100°C以下時(shí)關(guān)閉循環(huán)水，取出模具脫模，獲得直徑為20mm、厚度為4mm的圓片狀銅/金剛石復(fù)合材料產(chǎn)品。所制備的銅/金剛石復(fù)合材料熱導(dǎo)率為752W/mK，熱膨脹系數(shù)為6.5 X 10—6/K。
[0019]實(shí)施例2:
[0020]通過真空感應(yīng)熔煉方法將銅塊與鈦塊熔煉，獲得成分為99.7wt.%Cu_0.3wt.%Ti的銅鈦合金鑄錠。將粒度為165μπι的金剛石顆粒裝填在型模中，將裝填好的型模放在石墨套筒中并把成分為99.7wt.%Cu-0.3wt.%Ti的合金塊放在型模上部，再將裝填好的整個(gè)模具放置在高壓氣體輔助熔滲裝置的感應(yīng)加熱區(qū)，連接真空系統(tǒng)和增壓充氣系統(tǒng)。開啟抽真空系統(tǒng)，對(duì)爐體抽真空直至真空度小于0.1Pa。開啟循環(huán)水，啟動(dòng)感應(yīng)加熱器，將模具加熱至1150°C保溫lOmin。開啟增壓充氣系統(tǒng)向爐體注入高純氬氣，當(dāng)爐內(nèi)氣體壓力達(dá)到2.5MPa后，關(guān)閉增壓充氣系統(tǒng)并保溫保壓30min。停止加熱，當(dāng)爐溫降至100°C以下時(shí)關(guān)閉循環(huán)水，取出模具脫模，獲得直徑為20mm、厚度為4mm的圓片狀銅/金剛石復(fù)合材料產(chǎn)品。所制備的銅/金剛石復(fù)合材料熱導(dǎo)率為664W/mK。
[0021]實(shí)施例3:
[0022]通過真空感應(yīng)熔煉方法將銅塊與鈦塊熔煉，獲得成分為98.0wt.%Cu_2.0wt.%Ti的銅鈦合金鑄錠。將粒度為230μπι的金剛石顆粒裝填在型模中，將裝填好的型模放在石墨套筒中并把成分為98.0wt.%Cu-2.0wt.%Ti的合金塊放在型模上部，再將裝填好的整個(gè)模具放置在高壓氣體輔助熔滲裝置的感應(yīng)加熱區(qū)，連接真空系統(tǒng)和增壓充氣系統(tǒng)。開啟抽真空系統(tǒng)，對(duì)爐體抽真空直至真空度小于0.1Pa。開啟循環(huán)水，啟動(dòng)感應(yīng)加熱器，將模具加熱至1150°C保溫15min。開啟增壓充氣系統(tǒng)向爐體注入高純氬氣，當(dāng)爐內(nèi)氣體壓力達(dá)到l.0MPa后，關(guān)閉增壓充氣系統(tǒng)并保溫保壓15min。停止加熱，當(dāng)爐溫降至100°C以下時(shí)關(guān)閉循環(huán)水，取出模具脫模，獲得直徑為20mm、厚度為4mm的圓片狀銅/金剛石復(fù)合材料產(chǎn)品。所制備的銅/金剛石復(fù)合材料熱導(dǎo)率為123W/mK。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，銅基體中合金元素鈦的成分范圍為0.3?2.0wt.%,利用氣壓浸滲法制備銅/金剛石復(fù)合材料;具體制備方法為: 1)通過真空感應(yīng)熔煉方法將銅塊與鈦塊熔煉獲得銅鈦合金鑄錠； 2)將金剛石顆粒裝填在型模中，將裝填好的型模放在石墨套筒中并把銅鈦鑄錠放在型模上部，將裝填好的整個(gè)模具放置在高壓氣體輔助熔滲裝置的感應(yīng)加熱區(qū)，連接真空系統(tǒng)和增壓充氣系統(tǒng)； 3)對(duì)爐體抽真空； 4)將模具加熱； 5)開啟增壓充氣系統(tǒng)向爐體注入高純氬氣，當(dāng)爐內(nèi)氣體達(dá)到一定壓力時(shí)，關(guān)閉增壓充氣系統(tǒng)并保溫保壓； 6)停止加熱，爐溫冷至室溫后取出模具脫模，獲得銅/金剛石復(fù)合材料產(chǎn)品。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟3)所述真空度低于0.1Pa。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟4)所述模具加熱溫度為1100?1200°C，保溫時(shí)間10?60min。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟5)所述高純氬氣爐內(nèi)氣體壓力為0.1?3.0MPa，在1100?1200°C下保溫保壓時(shí)間為10?60mino
【專利摘要】本發(fā)明公開一種具有高熱導(dǎo)率的銅/金剛石復(fù)合材料的制備方法，屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。通過在銅基體中添加合金元素鈦，利用氣壓浸滲法制備銅/金剛石復(fù)合材料。最佳制備參數(shù)為：合金元素鈦含量0.5wt.％，熔滲溫度1150℃，保溫壓力1.0MPa，保溫時(shí)間30min。所制備銅/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為752W/mK，熱膨脹系數(shù)為6.5×10-6/K。本發(fā)明所提出的銅/金剛石復(fù)合材料制備方法為大功率器件的高效散熱提供了較佳的技術(shù)解決方案。
【IPC分類】C22C26/00, C22C9/00, C22C1/02
【公開號(hào)】CN105483423
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610023760
【發(fā)明人】王西濤, 李建偉, 張海龍, 張洋
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2016年1月14日