高导热低膨胀复合材料及其制备工艺制造技术

一种高导热低膨胀复合材料及其制备工艺，以高导热特性铜Ｃｕ与负膨胀特性钨酸锆ＺｒＷ↓［２］Ｏ↓［８］为组元复合材料，采用化学镀工艺，在ＺｒＷ↓［２］Ｏ↓［８］粉体表面包覆铜层，掺杂微量超细石墨Ｃ粉，球磨混合过筛后采用冷等静压成型，再采用微波烧结的工艺，获得致密的Ｃｕ／ＺｒＷ↓［２］Ｏ↓［８］复合材料。本发明专利技术工艺简单合理，制得的复合材料有较高的致密度和较好的热稳定性，可以用作超大规模集成电路以及电子器件基片材料。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料的制备工艺，尤其涉及一种具有高导热性与低膨胀特性的复合材料及其制造方法，可用作超大规模集成电路以及电子器件基片材料，属于电子材料
在电子器件中，材料的散热性与热应力引起的热失效问题，已受到越来越多的材料科学家的关注。研制一种同时具有高导热性与低膨胀特性的复合材料，成为超大规模集成电路基片材料研究的热点。近年来，C.Verdon and D.C.Dunand等提出Cu/ZrW2O8体系的复合材料有可能同时具备上述特性(Scripta Mater.36，1997，p1075)。由于Cu是高导热性材料，而ZrW2O8是一种在很大的温度范围内(0.3～1050K)，具有较大的各向同性负膨胀系数(-8.9×10-6)的材料(J.S.O.Evans，T.A.Mary，A.W.Sleight，et al.Chem.Mater.8，1996，p2809)，这两者相结合制备的复合材料，被期望同时具有高导热性与低膨胀特性。然而，这两种材料的复合存在着烧结问题。由于ZrW2O8在室温下是亚稳的，在750℃左右将发生分解，而且在700℃左右烧结时，Cu与ZrW2O8将发生反应，生成多种氧化物，这些问题将使ZrW2O8失去负膨胀行为，达不到预期的目的，而选择低温烧结往往达不到致密化。本专利技术的目的在于针对上述技术的不足，提出一种新的复合材料制备工艺，使制得的复合材料具有高导热、低膨胀的特性，更适应现代科技发展的需要。为实现这样的专利技术目的，本专利技术在技术方案中以高导热特性铜Cu与负膨胀特性立方相钨酸锆ZrW2O8为主要原料，掺杂微量超细石墨粉C，采用微波烧结工艺，获得Cu/ZrW2O8反应程度较低的致密度相对较高的复合材料。微波烧结工艺是近些年来材料制备与研究中相当有效的方法，其原理是利用高频微波能与材料的介电耦合效应，迅速整体加热材料，具有升温速度快，热滞后性小等特点，这种材料加工方法还能在较低的烧结温度下完成致密化过程。本专利技术的技术方案中采用这一工艺，在较低的温度下完成化学镀Cu包覆ZrW2O8粉体的致密化过程，并有效地控制了Cu与ZrW2O8反应，制造的复合材料具有高导热、低膨胀特性。本专利技术制备复合材料的主要原料为采用湿化学法自制的α-ZrW2O8粉末(纯度约为98％，含小于1％左右的ZrO2，粒度分布为0.5～2.5μm)为原料，(α-ZrW2O8粉末的制备工艺见孔向阳等《硅酸盐学报》27卷，(1999)p265)。采用化学镀的方法在α-ZrW2O8粉体表面包覆铜层，使铜层尽可能包覆α-ZrW2O8粉体的表面，形成含体积分数40～50％左右的复合粉体。市售超细石墨粉，粒径范围在1～5μm。本专利技术采用的工艺步骤如下1、将铜包覆α-ZrW2O8复合粉体与少量超细石墨粉(体积分数约为0.2～0.5％)，湿法球磨24小时混合均匀，干燥过200目筛，在不锈钢模具中冷压成型，再冷等静压，压力为200～400Mpa。2、将试样置于2.45GHz、2KW的微波炉中，采用Al2O3作埋粉，以隔绝空气，防止试样高温下剧烈氧化。微波炉腔体为多模腔，模式为TE103，微波经波导自下而上辐射。实验采用微波混合加热的模式，在Al2O3埋粉中均匀分布SiC陶瓷片，利用SiC室温下强吸收微波能，快速升温的特点，加热坯体试样。利用光纤测温传感器测量试样表面温度。通过调节微波磁控管的输出功率，以及腔体的反射功率，控制微波炉腔体内电磁场的场强和温度，改变用作吸收微波能的负载SiC陶瓷片的多少以控制微波腔体内的升温速度。实验中，控制微波磁控管的输出功率在1KW以上，尽量减小反射功率，使烧结温度560～620℃，保温时间为30～60分钟。用阿基米德排水法测定试样密度，试样的相结构用X射线衍射仪测定，用热分析膨胀仪与热导率仪，测定样品从室温到200℃温度范围内的热膨胀系数与热导率。采用上述工艺，获得的Cu/ZrW2O8复合材料相对密度为92～95％，主要成分为Cu与ZrW2O8，但还含有一定的铜的氧化物和锆氧化物，以及一些未知相。Cu/ZrW2O8复合材料结构与性能特征如下热膨胀系数为6.8×10-6/K，导热系数为114W/m·K，密度为7.12～7.22g/cm3，气孔率为5～8％左右；主要相成分为铜含量占35～42vol.％，立方相ZrW2O8占50～60vol.％，其他氧化物约占5～8vol.％；三点弯曲室温强度180±40MPa。由此可见，本专利技术采用上述工艺制备的Cu/ZrW2O8复合材料，具有较高的致密度，在室温到200℃有很好的热稳定性，并具有高热导、低膨胀等特性，是一种适用于大规模集成电路用的基片的新型复合材料。下面通过具体的实施例进一步说明本专利技术的效果。实施例1采用化学镀的工艺，将铜包覆自制的α-ZrW2O8制成复合粉体，其中铜含量约占42vol.％。取200g Cu/ZrW2O8复合粉体过筛200目，与过筛200目超细石墨粉0.5g混合，加750ml无水乙醇，湿法球磨24小时，混合均匀，干燥过200目筛，在不锈钢模具中冷压成型，再冷等静压，压力为250MPa，试样的尺寸为φ10×40mm2。将试样置于2.45GHz、2KW的多模腔微波炉中，采用Al2O3作埋粉，以隔绝空气，在Al2O3埋粉中均匀分布SiC陶瓷片，作微波吸收耦合负载。控制微波磁控管的输出功率在1KW以上，使吸收功率保持在0.8KW，光纤测温传感器测量试样表面温度为580℃，保温时间为30分钟，关闭微波磁控管微波能输出，出炉后空气冷却。实验测得试样具有很好的热稳定性，其特征性能平均值如表1。表1方案一微波烧结Cu/ZrW2O8复合材料的综合性能性能密度气孔 主要相成分 室温强度 热膨胀系数热导率(g/cm3) 率 (MPa) (×10-6/K) (W/m·K)铜38vol.％，平均 7.16 6％ α-ZrW2O856 194 6.8 114值vol.％，其他6vol.％实施例2采用另一种化学镀的工艺，将铜包覆自制的α-ZrW2O8制成复合粉体，其中铜含量约占48vol.％。将Cu/ZrW2O8复合粉体采用微波烧结，其工艺过程与特点与实施例一相同。制得的复合材料试样的特征性能如表2。表2方案二微波烧结Cu/ZrW2O8复合材料的综合性能性能密度 气孔主要相成分 室温强度 热膨胀系数 热导率(g/cm3)率 (MPa)(×10-6/K)(W/m·K)铜41vol.％，平均 7.16 8％ α-ZrW2O852184 7.3 125值vol.％，其他7vol.％权利要求1.一种高导热低膨胀复合材料，其特征在于以高导热特性铜Cu与负膨胀特性立方相钨酸锆ZrW2O8为主要原料，掺杂微量超细石墨粉C，其中铜Cu在复合材料中所占的体积分数为40～60％。2.一种如权利要求1所说的高导热低膨胀复合材料的制备工艺，其特征在于采用化学镀工艺，在ZrW2O8粉体表面包覆铜层，使复合粉体中Cu所占的体积分数为40～60％；将复合粉体掺杂微量超细石墨C粉，所占的体积分数为0.2～0.5％，球磨混合过筛，采用冷等静压成型，成型压力为200～400Mpa；再采用微波烧结的工艺，烧结温度控制在560～6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导热低膨胀复合材料，其特征在于以高导热特性铜Ｃｕ与负膨胀特性立方相钨酸锆ＺｒＷ２Ｏ８为主要原料，掺杂微量超细石墨粉Ｃ，其中铜Ｃｕ在复合材料中所占的体积分数为４０～６０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孔向阳，曾振鹏，吴建生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]