一种垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料及其制备方法。本发明专利技术的复合材料由高度定向排列的石墨鳞片增强体与基体铜混合而成。本发明专利技术的制备方法包括在石墨鳞片表面的铜层镀覆、铜粉球磨片状化、预成形坯的形成以及加压烧结定形等步骤。本发明专利技术的产品垂直于鳞片片状方向上有较低且可调的热膨胀系数，热膨胀系数在4‑10×10‑6K‑1，可有效避免对同平面的其它器件造成影响；定向导热性好：平行于鳞片片状方向热导率高，垂直于鳞片片状方向热导率低于50W·m‑1·K‑1。此外，本发明专利技术的产品易于切削加工，可制成复杂形状以满足热流散失线路的设计，且采用的原料成本相对较低，适合大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高性能电子封装功能材料领域，特别涉及一种高热导方向与低热膨胀系数方向相互垂直的垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着大规模集成电路的迅猛发展，电子器件的功率密度不断增加，大功率电子器件的散热问题已经逐渐成为制约电子器件功率进一步提升的关键。开发具有高导热率、较低且可调的热膨胀系数的电子封装散热材料是解决电子器件散热问题最有效的手段。为此，研究者们开发了一系列性能优良的各向同性的散热材料，如SiC/Al、金刚石/铜等。但随着电子设备进一步小型化、高度集成化对散热材料提出了更高的要求。在多芯片组件的热管理设计中，使用各向同性材料会导致部分热量散失在封装体内部，传热效率不高。因此，开发定向散热材料以使热量沿设计线路定向散出就显得尤为重要。石墨鳞片具有各向异性，在石墨平面内的理论热导率高达2000W·m-1·K-1，垂直石墨鳞片方向上热导率仅为平面方向的1/200到1/20。在压制成形过程中，由于外力的作用，石墨鳞片片状平面的法向量(Z方向)与压力方向保持基本一致，鳞片片状平面(X-Y方向)倾向于与压力方向垂直，所得复合材料呈各向异性。目前石墨鳞片与金属复合所制成的复合材料主要用于二维平面散热，即复合材料在垂直压制压力的X-Y平面方向上表现出较高热导率，同时在X-Y平面内又呈现出较低的且与芯片相匹配的热膨胀系数。在使用时将复合材料X-Y平面与芯片相贴合，一方面由于此平面上二者热膨胀系数匹配，最大限度的降低了升温时产生的热应力，提高了电子器件的稳定性；另一方面，平面的高导热有利于热量沿平面方向散出。中国专利CN103924119B、CN101821415B和CN103014400A等专利技术专利公布了此二维平面散热材料及其制备方法。然而这种二维平面散热材料使用上也有局限：当同一平面有多个电子元器件，特别是大功率发热器件与温度敏感器件处于同一平面时，使用二维平面散热材料势必会造成器件之间相互影响。针对此问题，本专利技术提出一种具有垂直定向散热功能的铜基复合材料及其制备方法。该材料的特点是：高热导方向与低热膨胀方向相互垂直，材料在竖直方向上具有优异的导热性能，而在水平方向上导热能力较差。如此，同一平面的电子器件可水平放置，其大功率发热器件的热量能够在快速沿竖直方向导出的同时不会对水平方向上相邻的温度敏感器件造成热影响。这种具有垂直定向散热功能的电子封装材料具备散热效率高，定向性强等特点，可有效丰富热量散失路径的设计，对突破电子设备散热问题的瓶颈，实现电子封装热管理的高效化、可设计化具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有石墨鳞片增强金属基复合材料只能在二维平面方向散热，无法在垂直方向做定向散热的问题，提供一种高热导方向与低热膨胀方向相互垂直、能够使得热量沿芯片所在平面垂直方向定向导出的石墨鳞片/铜复合材料及其制备方法。本专利技术的技术方案为：一种垂直定向散热用石墨鳞片/铜复合材料，由石墨鳞片增强体与铜基体混合而成，石墨在基体中高度定向排列，90％以上的石墨其片状平面的法向量与压制压力方向的夹角小于15；其中石墨鳞片的体积含量为20～80％；石墨鳞片石墨化程度在95％以上，平均直径为50～1000μm、长径比为10-100；所得复合材料呈各向异性，鳞片片状平面与压制方向垂直(基本垂直)，其高导热方向与低热膨胀系数的方向相互垂直，高热导方向平行于石墨鳞片片状平面，低热膨胀系数方向垂直于石墨鳞片片状平面；所述的基体铜为纯铜、或铜与铜质量0.2～5％的Cr、Ni、Zr、B中的一种或两种以上成分的混合物。为加强石墨鳞片和基体铜之间的结合，提高复合材料致密度，本专利技术对石墨鳞片进行表面镀铜处理；为使石墨鳞片在基体中高度择优排布，对球形铜粉进行片状化球磨，得到与石墨鳞片形状相近的片状铜粉，以消除鳞片与铜粉的尺寸不兼容性；随后将石墨鳞片、片状铜粉与成形剂混合压制。在含有成形剂环境下的鳞片因压力作用而发生倾转取向，从而得到鳞片择优取向预成形坯；最后脱去成形剂并使用热压法或放电等离子体烧结法得到最终的石墨鳞片/铜复合材料。上述的垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)采用化学镀铜工艺在石墨鳞片表面镀覆金属铜层，包括除油、粗化、敏化、活化、化学镀，所述的化学镀，采用镀铜液，镀铜工艺条件：镀液pH为12.0～13、镀覆温度40～50℃、施镀时间5～30分钟；(2)使用行星式球磨机对铜粉进行球磨片状化，所选铜粉尺寸在20～150μm之间，根据使用石墨鳞片大小进行调整，球磨机转速为100～400转/分钟，球磨时间1～9小时，最终得到与石墨鳞片形状相近的片状铜粉；(3)预成形坯的制备；选择石墨鳞片及与其形状相近的片状铜粉，然后与成形剂在60～80℃下充分混合均匀，得到混合喂料；将混合喂料放入单向模具中进行压制，压制压力为2～15MPa，压制过程中对模具进行加热，并反复压制，以进一步提高鳞片定向水平，随后，对压制坯进行热脱脂脱去大部分粘结剂，得到少量粘结剂残余的、具有一定强度和可手持移动的预成形坯；脱脂工艺为：氩气气氛下以5～10℃/min的升温速率升至400～500℃，其中在200～250℃、300～350℃、450～500℃分别保温15～25min、25～35min、5～15min；为保证鳞片的定向效果，须根据模具尺寸大小控制混合喂料的加入量，使最终成形坯高度控制在0.5～3毫米；(4)最后将预成形坯依次层叠，置于石墨模具内，采用真空热压法或放电等离子体法对预成形坯进行单向加压并烧结致密，得到垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料。进一步地，所述的镀铜液的组成为：五水硫酸铜8～18g/L、甲醛4～8g/L、酒石酸钾钠8～18g/L、EDTA15～25g/L、氢氧化钠12～16g/L、二联吡啶0.01～0.04g/L、亚铁氰化钾0.01～0.02g/L；优选为，五水硫酸铜15g/L、质量分数36％的甲醛溶液5g/L、酒石酸钾钠15g/L、EDTA20g/L、氢氧化钠14.5g/L、二联吡啶0.02g/L、亚铁氰化钾0.01g/L；甲醛的浓度通过加入质量分数为36％的甲醛溶液控制。从提高复合材料的力学性能的角度考虑，铜粉的球磨过程也可加入其它合金元素，如Cr、Ni、Zr、B等，通过机械合金化的方法得到片状的铜合金粉作为复合材料基体；作为优选的，铜粉球磨片状化过程可选纯铜粉，或铜粉与铜粉质量0.2～5％的Cr、Ni、Zr、B中的一种或两种以上成分的混合物(为了表示方便，含其它元素时，也都统一表达为铜粉或片状铜粉)。进一步地，成形剂由石蜡、聚乙烯(高密度聚乙烯)、硬脂酸、聚乙二醇和正庚烷溶液组成；石蜡、高密度聚乙烯、硬脂酸、聚乙二醇质量比为12～18:2～5:1～2:1～2，优选为15:3:1:1。进一步地，步骤(3)中，石墨鳞片、片状铜粉及成形剂的体积比为50～80：0～50：50；优选为50～80：20～50：50。上述的除油、粗化、敏化、活化均可采用常规的方法。本实施方式中，复合材料的平行鳞片片状平面的热导率和垂直鳞片片状平面的热膨胀系数可以通过加入石墨鳞片的体积百分比来调节。当石墨体积百分比较高时，步骤(3)中可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料，其特征在于，由石墨鳞片增强体与基体铜混合而成，石墨在基体中高度定向排列，90％以上的石墨其片状平面的法向量与压制压力方向的夹角小于15°；复合材料呈各向异性。

【技术特征摘要】
1.一种垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料，其特征在于，由石墨鳞片增强体与基体铜混合而成，石墨在基体中高度定向排列，90％以上的石墨其片状平面的法向量与压制压力方向的夹角小于15°；复合材料呈各向异性。2.根据权利要求1所述的垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料，其特征在于，石墨鳞片的体积分数为20～80％，石墨鳞片石墨化程度在95％以上，平均直径为50～1000μm、长径比为10～100。3.根据权利要求1所述的垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料，其特征在于，基体铜为纯铜、或铜与铜质量0.2～5％的Cr、Ni、Zr、B中的一种或两种以上成分的混合物。4.权利要求1至3任一项所述的垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)采用化学镀铜工艺在石墨鳞片表面镀覆金属铜层，包括除油、粗化、敏化、活化、化学镀，所述的化学镀，采用镀铜液，镀铜工艺条件：镀液pH为12.0～13、镀覆温度40～50℃、施镀时间5～30分钟；(2)使用行星式球磨机对铜粉进行球磨片状化，所选铜粉尺寸在20～150μm之间，根据使用石墨鳞片大小进行调整，球磨机转速为100～400转/分钟，球磨时间1～9小时，最终得到与石墨鳞片形状相近的片状铜粉；(3)预成形坯的制备；选择石墨鳞片及与其形状相近的片状铜粉，然后与成形剂在60～80℃下充分混合均匀，得到混合喂料；将混合喂料放入单向模具中进行压制，压制压力为2～15MPa，压制过程中对模具进行加热，并反复压制，以进一步提高鳞片定向水平，随后，对压制坯进行热脱脂，得到预成形坯；脱脂工艺为：氩气...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘骞，陈友明，成娟娟，唐思文，康永海，胡海蓉，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43