一种金刚石铝复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石铝复合材料及其制备方法，属于金刚石铝复合材料技术领域。包括以下步骤：将金刚石与基体按预定比例依次从下至上装配于模具中；其中，所述基体为铝合金或纯铝其中的一种；将所述模具置于设备中，制备得到金刚石铝复合材料。本发明专利技术中提高了金刚石与铝之间的界面强度，进而提高复合材料的热导率、强度以及冷热冲击性能，复合材料的热导率均可达到550W/(m

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石铝复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于金刚石铝复合材料
，具体涉及一种金刚石铝复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]金刚石作为具有极高热导率和较低热膨胀系数的材料，开始得到电子封装行业的关注，随着其价格的不断降低，大规模应用开始变得现实。
[0003]金属基复合材料，采用金属作为基体，用陶瓷、金属间化合物或是其他单质材料作为第二相进行复合制备，得到的材料具有诸多优势，如可以通过合理选择基体与第二相的组合得到需要的性能，并通过两者之间的科学配比使目标性能在一定程度上得到调节。
[0004]目前为止，第二代、第三代金属电子封装材料的热导率无论如何优化，热导率都难以达到300W/(m
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K)，因此需要开发更高导热系数的金属电子封装材料。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了解决上述问题，本专利技术提供了一种金刚石铝复合材料及其制备方法。
[0006]技术方案：一种金刚石铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将金刚石与基体按预定比例依次从下至上装配于模具中；其中，所述基体为铝合金或纯铝其中的一种；
[0008]将所述模具置于设备中，制备得到金刚石铝复合材料。
[0009]在进一步的实施例中，若基体为纯铝，则金刚石与基体装配前，对金刚石进行预处理；所述预处理至少包括：对金刚石镀覆连接膜。
[0010]在进一步的实施例中，所述铝合金成分为Cu 0.10～0.20％，Mn 0.10～0.15％， Si 1.0～4.5％，Ti 0.10～0.15％，Zn 0.20～0.25％，Cr 0.10～0.15％，Mg 0.70～1.2％，余量为Al。
[0011]在进一步的实施例中，所述连接膜为SiC膜。
[0012]在进一步的实施例中，所述连接膜的厚度为30～500nm。
[0013]在进一步的实施例中，镀膜流程至少包括以下步骤：
[0014]先将金刚石粉和SiO粉末用混料机混合，然后放入氧化铝坩埚内，在1300～1400℃的温度真空加热30～120min，得到镀覆SiC膜金刚石；
[0015]其中，金刚石粉与SiO粉末的质量比为8～10：1，SiO粉末的平均粒径为 15～25μm；真空度最大为1Pa。
[0016]在进一步的实施例中，所述金刚石粒径为30～400μm。
[0017]一种金刚石铝复合材料，由上述的金刚石铝复合材料的制备方法制备得到。
[0018](一)当基体选择铝合金时，由于合金的性能，无需对金刚石预先镀覆连接膜。采用气体压力浸渗技术制备金刚石铝复合材料：选取一定粒径或者不同粒径 (粒径范围在30～
400μm)混合的金刚石粉，装填入模具中作为预制体，金刚石粉的堆积体积分数要达到至少50％，事先熔炼好的铝合金铸锭置于预制体上部，待金属熔化到一定温度680～800℃，保温0.5～2.5h后，待熔融金属均温后，向炉内充入氩气，氩气压力为0.4～3.5MPa，并保温保压0～1.5h，冷却后得到金刚石铝复合材料产品。制备的金刚石铝复合材料可采用热处理强化，使用的热处理为人工时效，固溶处理再人工时效，热处理后复合材料的强度提高了25％以上，抗冷热冲击能力提高了50％以上。在研究中发现，基体铝合金的合金化不仅能在一定程度上提高复合材料的性能，更对其降低制造成本和提高服役可靠性有利。金刚石与铝合金适度地发生反应，有利于界面强度的提高，并进而改善复合材料的热导率和力学性能；更关键的是使用上述铝合金成分的铝合金基体提高了复合材料在冷热冲击条件下的表现，这关系到材料在使用过程中的性能衰减问题，进而提高了器件的可靠性。本方案中的铝合金成分配比用于制造金刚石铝复合材料及其产品，其热导率大于550W/m
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K，热膨胀系数6.5～8.5
×
10
‑6/℃，弯曲强度超过400MPa，其强度得到较大提高，冷热冲击对其影响很小。
[0019](二)当基体选择纯铝时，需要预先对金刚石镀覆SiC膜，SiC膜采用上述 SiC膜，原因如下：熔融状态的铝液很容易和金刚石发生反应产生易水解的Al4C3相，容易在服役过程中导致金刚石铝复合材料的性能发生衰减，通常需要对金刚石表面进行镀膜处理，从而抑制Al4C3相的生成，并起到增强界面结合力的作用。碳化硅的强度和导热系数都很高，如果作为金刚石粉表面的镀膜将是一种很好的选择，但是在金刚石粉表面制备覆盖良好并有一定结合力的碳化硅膜是很困难的一件事。经过研究，开发了一种在金刚石粉表面镀纳米级的碳化硅膜的方法，不仅提高了金刚石铝复合材料的热导率和力学性能，并在湿热条件下对其性能衰减进行了对比研究，发现碳化硅膜极大提高了材料的抗湿热能力，提高了这种材料的应用前景和产业化可能性。具体制备方法如下：
[0020]将30～400μm粒径的金刚石粉末与浓度为45～68％的硝酸溶液混合，比例为每升硝酸溶液混合300～500g金刚石粉，将硝酸溶液和金刚石粉的混合物煮沸 30～60min，对金刚石粉表面进行粗化处理。金刚石粉末的粗化处理，除了用硝酸还可以使用王水，当使用王水时，比例为每升硝酸溶液混合500～800g金刚石粉，将王水和金刚石粉的混合物煮沸15～30min；再将粗化后的金刚石粉经过清洗烘干后包覆SiC膜；金刚石粉与SiO粉末的质量比为8～10：1，SiO粉末的平均粒径为20μm左右；先将金刚石粉和SiO粉末用混料机混合，然后放入氧化铝坩埚内，在1300～1400℃的温度真空加热30～120min，以得到不同厚度的镀覆SiC膜金刚石粉末，真空度最大为1Pa；SiO在真空高温条件下可以与金刚石粉反应生成SiC，在金刚石粉表面形成一定厚度的SiC膜15～120nm。
[0021]采用气体压力浸渗技术制备金刚石铝复合材料：选取一定粒径或者不同粒径 (粒径范围为30～400μm)混合的金刚石粉，装填入模具中作为预制体，金刚石粉的堆积体积分数要达到至少50％，金属铝的铸锭置于预制体上部，待铝合金熔化到一定温度600～750℃，保温0.5～2.5h后，向炉内充入氩气，氩气压力为0.4～ 2MPa，并保温保压0～1.5h，冷却后得到金刚石铝复合材料。
[0022]制备的碳化硅层更容易控制膜层厚度，并且生成的膜层更加均匀，不会出现颗粒状的碳化硅，因此制备的金刚石铝复合材料性能优异，并在高温高湿条件下仍能保持性能基本不衰减。首先，由于铝液与碳化硅的润湿性要好于金刚石，因此降低了金刚石铝复合材料的制备压力；其次，虽然碳化硅也会与铝液反应，但是反应难度高于金刚石与铝液的反
应，这在一定程度上抑制了大量的有害相即碳化铝的生成，提高了复合材料的服役可靠性。
[0023]有益效果：本专利技术提高了金刚石与铝之间的界面强度，进而提高复合材料的热导率、强度以及冷热冲击性能，复合材料的热导率均可达到550W/(m
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K)以上；制备的碳化硅层更容易控制膜层厚度，并且生成的膜层更加均匀，不宜出现颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将金刚石与基体按预定比例依次从下至上装配于模具中；其中，所述基体为铝合金或纯铝其中的一种；将所述模具置于设备中，制备得到金刚石铝复合材料。2.根据权利要求1所述的一种金刚石铝复合材料的制备方法，其特征在于，若基体为纯铝，则金刚石与基体装配前，对金刚石进行预处理；所述预处理至少包括：对金刚石镀覆连接膜。3.根据权利要求1所述的一种金刚石铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝合金成分为Cu 0.10～0.20%，Mn 0.10～0.15%，Si 1.0～4.5%，Ti 0.10～0.15%，Zn 0.20～0.25%，Cr 0.10～0.15%，Mg 0.70～1.2%，余量为Al。4.根据权利要求2所述的一种金刚石铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述连接膜为S...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁伟，王长瑞，
申请(专利权)人：南京瑞为新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：