铝硅/铝金刚石梯度复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料及其制备方法。本发明专利技术所述的铝硅/铝金刚石梯度复合材料是由至少一铝硅合金层与至少一铝金刚石复合材料层构成的梯度复合材料；其中，按重量百分比计，所述铝硅合金层含有硅22～50％，余量为铝；按体积百分比计，所述铝金刚石复合材料层含有金刚石40～60％，余量为铝或铝合金。本发明专利技术的铝硅/铝金刚石梯度复合材料具有热导率高、密度小、性能可调控、容易加工、成本低廉的优点，具备良好综合性能，能够满足电子封装的各项指标要求，尤其适用于作为电子封装材料。

Al Si / Al diamond gradient composite material and its preparation method

The invention relates to an aluminum silicon / aluminum diamond gradient composite material and a preparation method thereof. The aluminium-silicon/aluminium-diamond gradient composite material is a gradient composite material composed of at least one aluminium-silicon alloy layer and at least one aluminium-diamond composite layer, in which the aluminium-silicon alloy layer contains 22-50% silicon by weight percentage and the residual amount is aluminium; and the aluminium-diamond composite material is measured by volume percentage. The layer contains 40 to 60% diamond and the rest is aluminum or aluminum alloy. The aluminium-silicon/aluminium-diamond gradient composite material has the advantages of high thermal conductivity, low density, adjustable performance, easy processing, low cost, good comprehensive performance, and can meet the requirements of various indicators of electronic packaging, especially as an electronic packaging material.

【技术实现步骤摘要】
铝硅/铝金刚石梯度复合材料及其制备方法
本专利技术涉及金属基复合材料
，特别是涉及一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料及其制备方法。
技术介绍
电子封装材料是用于承载电子器件及其相互联线，起机械支撑、密封环境保护、信号传递、散热和屏蔽等作用的基体材料。电子封装材料的种类很多，传统的金属基或陶瓷电子封装材料主要包括Cu、Al、Ti、Kovar、W/Cu、Mo/Cu、Al/SiC、Al2O3、AlN等。随着现代电子系统向小型化、轻量化、高工作频率、高功率密度、多功能和高可靠性等方向发展，传统的电子封装材料在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法胜任。研究表明，电子器件的失效率随着工作温度的上升而急剧增大：基本上工作温度每提高10℃，GaAs或Si半导体器件的寿命将下降三分之一。电子器件的散热和冷却通常采用热沉、散热器和电子封装材料实现。研究和开发具有高热导率和良好综合性能的电子封装材料和构件成为电子封装领域的一项关键技术并影响电子工业的发展。金属基复合材料将金属基体良好的导热和塑性变形性能以及增强体较低的热膨胀系数和较高的强度有机地结合起来，获得热导率和热膨胀系数等性能在很大范围内可控的电子封装材料，从而实现与各种芯片和基板材料的封装。因此，开发新的金属基复合材料有望可以满足日益提高的电子封装要求。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料，其具有热导率高、密度小、性能可调控、容易加工、成本低廉的优点。本专利技术采取的技术方案如下：一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料，是由至少一铝硅合金层与至少一铝金刚石复合材料层构成的梯度复合材料；其中，按重量百分比计，所述铝硅合金层含有硅22～50％，余量为铝；按体积百分比计，所述铝金刚石复合材料层含有金刚石40～60％，余量为铝或铝合金。其中，铝硅合金由铝基体(Al)和硅相(Si)组成，也称为Al/Sip复合材料，综合了铝基体和硅相的良好性能，具有热导率较高、热膨胀系数可控、比强度高、密度小(<2.7g/cm3)、易于加工和镀覆等特点，且硅和铝在地壳中的含量分别为27.7％和8.1％，含量十分丰富，所以铝硅合金的成本低廉，并对环境无污染，对人体无害，方便回收再利用。由此，铝硅合金能够满足现代电子封装对材料力学、热物理和工艺性能的要求，在航空、航天、电子、通信等领域应用前景广阔。金刚石是除石墨烯以外热导率最高的固体物质，热导率约为600-2000W/m·K，还具有电绝缘性良好、化学性质稳定等优点，而且其热膨胀系数很低(仅为1～2ppm/K)，与Si、GaAs等电子材料相接近。此外，人造金刚石制造技术越来越成熟，金刚石大量应用于金刚石工具的工业制造，故金刚石的使用成本大大降低。而铝金刚石复合材料由于具有很高的理论热导率(≥500W/m·K)，因此在电子封装领域具有重大应用前景。虽然铝硅合金具有良好的综合性能，但其热导率受到铝基体和硅相的限制，最高热导率小于纯铝的热导率237W/m·K；虽然铝金刚石具有很高的热导率，但是其加工性能差，严重阻碍其在电阻封装方面的推广应用。本专利技术将铝硅合金与铝金刚石有机结合，构成具有多层梯度结构的铝硅/铝金刚石梯度复合材料，达到取长补短的目的，一方面利用铝金刚石复合材料的高热导率，为电子器件提供高效散热效果，另一方面充分发挥铝硅合金的易加工、可镀覆、可激光焊接等优点，有利于加工成具有复杂形状的封装壳体，为高功率密度电子器件提供封装保护，并且根据材料的热膨胀系数和热导率，选用适宜硅含量的铝硅合金和适宜金刚石含量的铝金刚石进行复合。此外，所述铝硅/铝金刚石电子封装梯度复合材料还具有质量轻的特点(密度小于4g/cm3)。可以根据实际使用需求，对所述铝硅/铝金刚石梯度复合材料的梯度结构进行各种设计，通过调整梯度层数、每一层的成分配比(铝硅合金层中的硅含量、铝金刚石复合材料层中的金刚石含量)、铝硅合金层与铝金刚石层的重量比例或厚度比例等，以获得具备不同性能的复合材料。因此，所述铝硅/铝金刚石梯度复合材料具有良好的可控性，可根据封装要求，采用普通机械加工获得具有特定形状和尺寸的封装壳体，并且可进行表面镀覆和激光焊接，实现气密封装。本专利技术的铝硅/铝金刚石梯度复合材料既保留铝金刚石的高热导率，也充分利用铝硅的易加工性、可镀覆、可激光焊接的优点，其具有热导率高、密度小、性能可调控、容易加工、成本低廉的优点，具备良好综合性能，能够满足电子封装的各项指标要求，尤其适用于作为电子封装材料，如大功率密度微电子和微波器件的封装材料等，并可以通过梯度结构的优化设计进一步提高材料的服役性能。进一步地，所述铝硅合金层由铝基体和均匀分布于铝基体中的硅颗粒组成，所述铝金刚石复合材料层由Al-7Si合金基体和均匀分布于Al-7Si合金基体中的金刚石颗粒组成。采用Al-7Si作为铝金刚石复合材料层的基体，既能确保材料具备良好的热导性能，又能与金刚石具有较好的界面润湿性，从而获得良好的界面结合强度。进一步地，所述铝金刚石复合材料层中的金刚石颗粒的尺寸为150～400微米。金刚石颗粒的尺寸大小与其热导率相关，金刚石尺寸越大则热导率越高，但是材料成型难度随之升高，通过此尺寸限定，能够使铝硅/铝金刚石梯度复合材料具有高热导率和适宜的加工性能。进一步地，所述铝金刚石复合材料层中的金刚石颗粒表面镀有钛(Ti)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、锆(Zr)中任一种的镀层，以进行表面改性，提高金刚石与铝基体的结合性能，所述镀层的厚度为50～200nm。本专利技术的另一目的在于，提供一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)按重量百分比计，以硅含量为22～50％、余量为铝的配比，制备铝硅合金粉末；(2)按体积百分比计，以金刚石含量为40～60％、余量为铝或铝合金的配比，制备铝和金刚石的混合粉末；(3)将步骤(1)制得的铝硅合金粉末预压制成铝硅合金压坯，将步骤(2)制得的铝和金刚石的混合粉末预压制成铝金刚石压坯；按照设计好的梯度结构，将制得的至少一个铝硅合金压坯与至少一个铝金刚石压坯装入模具，再压制成梯度压坯；(4)对步骤(3)制得的梯度压坯进行热压烧结或热等静压，得到铝硅/铝金刚石梯度复合材料。本专利技术分别将铝硅合金粉末、铝和金刚石的混合粉末在低压力下通过冷压方式预压制成压坯，再根据梯度复合材料的结构设计，通过冷压方式对得到的铝硅合金压坯与铝金刚石压坯进行压制，得到成型的梯度压坯，最后对梯度压坯进行热压烧结或热等静压，可获得致密、微观组织均匀的梯度复合材料。所述的制备方法的工序简单、易于控制和实现，铝硅合金层和铝金刚石复合材料层都是通过压制成型，并对梯度压坯进行热压烧结或热等静压，实现了一体烧结致密化，不仅减少了制备工序，提高生产效率，而且成形温度较低能够避免铝硅合金与铝金刚石之间形成脆弱的过渡层，提高梯度复合材料整体的性能。进一步地，步骤(1)包括：将纯铝锭和单晶硅块按配比进行配料、熔炼，再进行气雾化制粉，雾化压力为0.7～1.2MPa，制得的粉末冷却后经筛分去除尺寸大于74微米的颗粒，得到铝硅合金粉末。所述筛分能够去除组织粗大的大尺寸颗粒，避免大尺寸颗粒降低材料致密性，以保证材料性能。进一步地，步骤(2)包括：在金刚石表面镀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料，其特征在于：是由至少一铝硅合金层与至少一铝金刚石复合材料层构成的梯度复合材料；其中，按重量百分比计，所述铝硅合金层含有硅22～50％，余量为铝；按体积百分比计，所述铝金刚石复合材料层含有金刚石40～60％，余量为铝或铝合金。

【技术特征摘要】
1.一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料，其特征在于：是由至少一铝硅合金层与至少一铝金刚石复合材料层构成的梯度复合材料；其中，按重量百分比计，所述铝硅合金层含有硅22～50％，余量为铝；按体积百分比计，所述铝金刚石复合材料层含有金刚石40～60％，余量为铝或铝合金。2.根据权利要求1所述的铝硅/铝金刚石梯度复合材料，其特征在于：所述铝硅合金层由铝基体和均匀分布于铝基体中的硅颗粒组成，所述铝金刚石复合材料层由Al-7Si合金基体和均匀分布于Al-7Si合金基体中的金刚石颗粒组成。3.根据权利要求2所述的铝硅/铝金刚石梯度复合材料，其特征在于：所述铝金刚石复合材料层中的金刚石颗粒的尺寸为150～400微米。4.根据权利要求2所述的铝硅/铝金刚石梯度复合材料，其特征在于：所述铝金刚石复合材料层中的金刚石颗粒表面镀有钛、钨、铬、钼、锆中任一种的镀层，所述镀层的厚度为50～200nm。5.一种铝硅/铝金刚石梯度复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)按重量百分比计，以硅含量为22～50％、余量为铝的配比，制备铝硅合金粉末；(2)按体积百分比计，以金刚石含量为40～60％、余量为铝或铝合金的配比，制备铝和金刚石的混合粉末；(3)将步骤(1)制得的铝硅合金粉末预压制成铝硅合金压坯，将步骤(2)制得的铝和金刚石的混合粉末预压制成铝金刚石压坯；按照设计好的梯度结构，将制得的至少一个铝硅合金压坯与至少一个铝金刚石压坯装入模具，再压制成梯度压坯；(4)对步骤(3)制得的梯度压坯进行热压烧结或...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志勇，王日初，彭超群，冯艳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43