一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，通过金刚石镀钛的方式增强复合材料中硅与金刚石之间的界面结合性；首先，将金刚石与钛粉按比例混合，随后在真空或惰性气体氛围下进行烧结镀覆，使金刚石表面形成碳化硅层，由此制备镀钛金刚石颗粒；接着将镀钛金刚石，硅粉，石墨以及有机粘结剂混合均匀，并压制成规则形状的复合材料的多孔预制坯体，然后将预制坯体进行脱脂处理，经过脱脂的多孔坯体在真空熔渗炉中进行液硅熔渗，使其完全致密。在熔渗过程中TiC与Si发生反应，生成SiC和Ti2SIC3，相比于Si与金刚石之间的直接反应生成碳化硅的界面相，TiC作为中间相加快了SiC的形成，降低了SiC的生成难度，提高了SiC含量，而金刚石和硅之间由于化学反应形成的界面结合提高了材料的整体强度。 1

【技术实现步骤摘要】
一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺
本专利技术涉及一种电子封装用的金刚石颗粒增强复合材料，尤其涉及一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺。采用这种方法制备的金刚石/SiC复合材料，是一种高致密性、高导热、低热膨胀性的新型电子封装材料，在集成电路基片的制造生产上具有很大的市场潜力。
技术介绍
电子封装材料是集成电路的一种必备材料，其主要是用作制备电路基板的制备材料。除了作为支撑材料之外，它必须将元件在多次运行中产生的热量及时地释放出去，从而保障元件的运行效率以及维持元件的使用寿命。金刚石复合材料是目前广泛研究的一种新型电子封装材料，这种复合材料的主要导热源是金刚石颗粒。金刚石颗粒具有优异的热物理性能和良好的机械性能。它的导热系数可达到900W/mK以上，热膨胀系数则为1.1×10-6/K。此外，它具有高硬度高强度，优良的化学稳定性，非常适合用于新型电子封装材料的开发。就目前来看，研究最广泛，最成熟的主要是铝基，铜基和硅基金刚石复合材料。金刚石/铝复合材料，是最早被开发研制的金刚石复合材料，它具有高导热，低密度，可加工性好的特点，作为金属基材料，其表面处理也较为容易，因而这种复合材料的开发被各国研究人员广泛的开展。铝基金刚石复合材料存在的主要困难在于铝材料与金刚石之间的界面结合问题。研究显示，铝作为金属材料，与金刚石之间具有不同的晶体结构，这就导致两种材料的表面张力具有较大的差异，当制备复合材料的时候，两者之间就会由于表面张力的原因而无法完全润湿，最终在复合材料内部产生较多的界面间隙。随后，铜基金刚石复合材料也逐渐被人们注意。相比于铝，铜的密度较高，硬度较大，导热系数也比铝更高，由此铜基金刚石复合材料的热导率也要高于铝基金刚石复合材料，但是作为金属，它与金刚石之间的界面结合性依然是制约铜基金刚石复合材料的一个重要问题。除了界面结合之外，金属基复合材料的另一个问题在于其热膨胀系数的控制。对于电子封装材料而言，元件在使用过程中会反复的吸热放热，封装基板会在不断地升温降温过程中膨胀和收缩。如果电子封装材料的热胀系数较大，必然会在基板与电路板之间形成较多的应力，一旦应力积累，就会对基板的造成破坏，甚至影响基板的使用寿命。最好的办法是能够开发一种封装材料，使其与电路板之间具有相近的热膨胀系数，从而在最大程度上降低二者之间的作用力。基于这种情况，硅基金刚石复合材料被人们研究和开发。研究显示，液态硅与金刚石之间具有较好的润湿效果，制备时可以获得很高的致密度。此外以硅作为电子材料的基体，还具有以下好处，1，用其制备的封装材料可与目前使用的大多数Si、Ge、GaAs等半导体材料相匹配，2，硅材料的熔点温度高，扩大了电子封装材料使用的温度范围，3，强度硬度高，耐磨，耐高温，耐化学腐蚀。硅基金刚石复合材料制备过程中，硅与金刚石之间会在1300℃以上产生化学反应生成碳化硅，这种化学反应可以促进机体与颗粒之间的界面结合，提高材料致密度和强度。但是问题在于金刚石本身的界面强度很高，其与硅材料之间的化学反应极其微弱，高温下生成的碳化硅也很少，如果要增加这种界面之间的结合，必须尽量降低金刚石的界面强度，提高化学反应的效率研究显示对金刚石进行表面镀覆可以有效地降低金刚石的表面强度，提高金刚石与基体材料之间的界面结合。其中钛镀覆金刚石颗粒是一种常用的镀覆手段，镀覆过程中钛粉与金刚石之间发生化学反应生成碳化钛TiC，沉积与金刚石表面，而碳化钛与硅在一定条件下同样会产生化学反应，生成SiC和Ti3SiC2。硅与金刚石直接反应的温度在1300℃以上，而钛与金刚石之间的反应温度在720℃左右，这种间接反应的温度要低于硅与金刚石之间直接发生的化学反应，而碳化钛作为反应中间相，一方面降低了反应的难度，另一方面提高了材料中的碳化硅含量，增强了材料的强度和界面结合性。
技术实现思路
本专利技术涉及一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺。一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，通过金刚石镀钛的方式增强复合材料中硅与金刚石之间的界面结合性；首先，将金刚石与钛粉按比例混合，随后在真空或惰性气体氛围下进行烧结镀覆，使金刚石表面形成碳化硅层，由此制备镀钛金刚石颗粒；接着将镀钛金刚石，硅粉，石墨以及有机粘结剂混合均匀，并压制成规则形状的复合材料的多孔预制坯体，然后将预制坯体进行脱脂处理，经过脱脂的多孔坯体在真空熔渗炉中进行液硅熔渗，使其完全致密。采用表面镀钛的金刚石作为导热相，主要的镀层是包裹在金刚石表面的一层TiC相，它由金刚石和钛粉在高温下的化学反应得到，其中金刚石和钛粉的重量百分比在1:0.1-1：0.5之间。采用真空无压熔渗法制备，以硅作为熔渗剂，采用熔融硅填充多孔预制坯体的方法实现复合材料的致密化。碳化硅主要由两部分组成，一种是石墨与硅在高温条件下通过硅碳反应生成，另一方面，硅与金刚石表面镀覆的TiC之间的化学反应得到。镀钛金刚石/SiC复合材料主要的原料及重量百分数为：钛化金刚石10％～80％，硅粉10％～40％，石墨10～50％，有机粘结剂8～25％。本研究中的金刚石/SiC复合材料以金刚石和碳化硅为主要组成成分，同时还有少部分硅。碳化硅主要是通过石墨与硅在高温条件下通过硅碳反应来制备。复合材料的主要导热源是微米金刚石颗粒，之所采用镀钛金刚石作为复合材料的导热相，主要目的在于通过在金刚石表面镀钛，加快金刚石与硅之间的界面反应，使之形成更多的碳化硅，由这种化学反应得到的碳化硅可以增强金刚石与硅基体之间的界面结合，进而提高复合材料的致密性，以及材料机械性能。相比之下，未进行表面镀钛处理的金刚石与硅之间的硅碳反应，只能生成极少量碳化硅，界面结合强度不如处理后的材料。本专利技术的主要内容，首先将钛粉与金刚石颗粒按照适当比例混合，并用有机溶剂进行润湿，然后将混合物进行充分研磨，使二者混合均匀，随后混合物在真空或氩气等惰性气氛中进行烧结，实现金刚石颗粒的表面镀钛，然后，取适量的硅，石墨，有机粘结剂进行混合，加入有机体溶剂，搅拌至糊状，再加入镀钛金刚石颗粒，搅拌均匀。之后将糊状的混合物放入混料机进行机械混合，混料完成，用有机溶剂清洗，并将混合物烘干，破碎，过筛，得到粒径均匀地混合粉体，接着，称取一定比例的粉体，压制成具有规则形状的多孔预制坯体，再将多孔坯体进行脱脂处理，使有机粘结剂完全分解。最后将坯体移入真空熔渗炉中，用硅粉将多孔坯体完全掩埋，然后密封，抽真空，升温加热，使温度升高到硅熔点以上温度，保温一段时间。熔渗结束后，样品随炉冷却到室温，清理样品表面杂质，清洗并干燥，最终制备致密的镀钛金刚石/SiC复合材料。在复合材料的制备过程中，金刚石表面的TiC会与Si发生反应，生成SI和Ti2SiC3。TIC具有类似催化剂的效果，加快了金刚石与硅之间反应生成碳化硅的速度。本研究采用真空熔渗法制备，在真空条件下，使硅粉完全融化。硅溶液在重力以及毛细管力的作用下填充多孔坯体的空洞，实现材料的致密化。这种真空熔渗的方法，相比以往的高温高压法可以节省生产制造的成本，将成型与致密化过程分开进行可一次制备多个不同形状不同尺寸的产品，提高了工业生产的效率。本专利技术所采用的金刚石颗粒为金刚石单晶，聚晶或其破碎料，尺寸在10～150μm。所采用的硅粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，其特征在于：通过金刚石镀钛

【技术特征摘要】
1.一种镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，其特征在于：通过金刚石镀钛的方式增强复合材料中硅与金刚石之间的界面结合性；首先，将金刚石与钛粉按比例混合，随后在真空或惰性气体氛围下进行烧结镀覆，使金刚石表面形成碳化硅层，由此制备镀钛金刚石颗粒；接着将镀钛金刚石，硅粉，石墨以及有机粘结剂混合均匀，并压制成规则形状的复合材料的多孔预制坯体，然后将预制坯体进行脱脂处理，经过脱脂的多孔坯体在真空熔渗炉中进行液硅熔渗，使其完全致密。2.基于权利要求1所述的镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，其特征在于：采用表面镀钛的金刚石作为导热相，主要的镀层是包裹在金刚石表面的一层TiC相，它由金刚石和钛粉在高温下的化学反应得到，其中金刚石和钛粉的重量百分比在1:0.1-1：0.5之间。3.基于权利要求1所述的镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，其特征在于，采用真空无压熔渗法制备，以硅作为熔渗剂，采用熔融硅填充多孔预制坯体的方法实现复合材料的致密化。4.基于权利要求1所述的镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，其特征在于：碳化硅主要由两部分组成，一种是石墨与硅在高温条件下通过硅碳反应生成，另一方面，硅与金刚石表面镀覆的TiC之间的化学反应得到，石墨采用鳞片石墨或土状石墨。5.基于权利要求1或4所述的镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，其特征在于：镀钛金刚石/SiC复合材料主要的原料及重量百分数为：钛化金刚石10％～80％，硅粉10％～40％，石墨10～50％，有机粘结剂8～25％。6.基于权利要求1所述的镀钛金刚石/SiC复合材料的真空熔渗制备工艺，其特征在于：所采用的金刚石颗粒为金刚石单晶，聚晶或其破碎料，尺寸在10～150μm，所采用的硅粉为纯度在95％以上的金属硅。7.基于权利要求1所述的镀钛金刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：何新波，郑伟，吴茂，林涛，
申请(专利权)人：北京科技大学广州新材料研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44