一种铜基金刚石复合板/带材及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜基金刚石复合板/带材及其制备方法，该制备方法包括：1)将金刚石粉末进行表面化学镀铜处理以得到改性金刚石粉末；2)将所述改性金刚石粉末均匀地置于上铜基板、下铜基板之间；3)在上铜基板上铺覆炸药；4)引爆所述炸药，以使得所述上铜基板、下铜基板迅速碰撞、焊接，以得到铜基金刚石复合板/带材；该制备方法具有原材料制备简单、制造工艺路径简明、极易实现批量化生产、金刚石的致密度高、金刚石与铜结合良好的特点，从而使得该铜基金刚石复合板/带材具有优异的导电、导热性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铜基金刚石复合板/带材及其制备方法


[0001]本专利技术涉及铜基复合材料，具体地，涉及一种铜基金刚石复合板/带材及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子技术快速发展，半导体材料不断更新换代的同时，集成电路也向着大规模、高集成、大功率方向不断深入。以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料的应用，使得绝缘栅双极晶体管(IGBT)得到迅速发展，正在开启新一代信息技术的新局面。
[0003]IGBT芯片性能的提高主要依赖于单位体积内晶体管数量的提高，这也导致期间的功率和电流密度显著提高，势必会造成电子元器件过热。研究数据表明，芯片运行中，表面温度达到70～80℃时，温度每增加1℃，芯片可靠性便下5％。此外，温度过高也会导致芯片烧毁，设备失效的概率，每年超55％的电子设备的失效形式便是由温度过高引起的。要解决散热问题，除了采用更高效的冷却技术外，研制出热导率大于400W/(m
·
K)且膨胀系数与半导体材料相匹配的新型轻质电子封装材料迫在眉睫。金刚石/金属复合材料作为新一类电子封装材料，经过十余年的研发，逐渐走向舞台中央。
[0004]金刚石具有禁带宽度大、硬度和热导率极高、电子饱和漂移速度高、耐高温、耐腐蚀、抗辐照等优异性能，在高压和高效功率电子、高频和大功率微电子、深紫外光电子等领域都有着极其重要的应用前景。金刚石具有目前所知的天然物质中最高的热导率(2200W/(m
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K))，比碳化硅(SiC)大4倍，比硅(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是铜和银的4～5倍，目前金刚石/金属的导热散热复合材料大有可为。
[0005]金刚石是立方晶体，由碳原子通过共价键结合形成。金刚石的许多极致属性都是形成刚性结构的sp3共价键强度和少量碳原子作用下的直接结果。金属通过自由电子传导热量，其高热传导性与高导电性相关联，相比之下，金刚石中的热量传导仅由晶格振动(即声子)完成。金刚石原子之间极强的共价键使刚性晶格具有高振动频率，因此其德拜特征温度高达2220K。由于大部分应用远低于德拜温度，声子散射较小，因此以声子为媒介的热传导阻力极小。但任何晶格缺陷都会产生声子散射，从而降低电导率和热传导性，这是所有晶体材料的固有特征。
[0006]目前，金刚石/铜复合材料的制备方法主要包含高温高压法、热压烧结法(粉末冶金法)、放电等离子烧结法和挤压铸造法。
[0007]高温高压法方法常用于超硬材料的制备与合成，而且只能制备形状简单、规则的样品，因其制备条件苛刻，所以成本较高；热压烧结法是在粉末冶金的基础上发展起来的，将金刚石颗粒与金属粉混合均匀后放入预先设计好的模具中，在适当的真空条件下经历加热、加压、保压、冷却、脱模等过程即可得到复合材料，热压烧结法可以通过调控各组分的含量制备出性能可调的复合材料，但也存在一些缺点，如对原材料要求比较高，增强相的体积分数不易超过55％，否则复合材料很难致密；放电等离子烧结法是利用上、下模冲及通电电极产生的脉冲在粉末间形成等离子体放电，经放电活化、热塑变形和冷却实现复合材料快
速成型的一种新型的粉末冶金技术，但由于放电等离子体烧结也受限于金刚石的体积分数，很难实现超高热导率，而进一步增加金刚石的体积分数又烧结不致密。
[0008]挤压铸造法是指半固态或液态金属在压力的作用下充型与冷却，最后凝固成形的一种技术，采用挤压铸造法制备金刚石/铜复合材料时，需要将金刚石颗粒放入模具腔体中摇匀振实，然后注入熔融的金属(单质或合金)液体，并施加压力，该方法制备复合材料需要对模具的形状进行设计，而且浇注的金属液体的熔点不易过高，所以此方法多用于制备金刚石/铝复合材料。
[0009]可见，目前金刚石/铜复合材料的制备还面临诸多挑战，主要是(1)制备条件苛刻；(2)生产工艺复杂；(3)金刚石的致密度过低；(4)金刚石与铜不润湿、不反应，直接复合难以实现两者良好的界面结合。这些因素不但制约了金刚石/铜复合材料的规模化生产，也极大地影响了它们的导电、导热性能。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种铜基金刚石复合板/带材及其制备方法，该制备方法具有原材料制备简单、制造工艺路径简明、极易实现批量化生产、金刚石的致密度高、金刚石与铜结合良好的特点，从而使得该铜基金刚石复合板/带材具有优异的导电、导热性能。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种铜基金刚石复合板/带材的制备方法，该制备方法包括：
[0012]1)将金刚石粉末进行表面化学镀铜处理以得到改性金刚石粉末；
[0013]2)将所述改性金刚石粉末均匀地置于上铜基板、下铜基板之间；
[0014]3)在上铜基板上铺覆炸药；
[0015]4)引爆所述炸药，以使得所述上铜基板、下铜基板迅速碰撞、焊接，以得到铜基金刚石复合板/带材。
[0016]本专利技术还提供了一种铜基金刚石复合板/带材的制备方法，该铜基金刚石复合板/带材通过上述的方法制备而得。
[0017]在上述技术方案中，本专利技术的改进点如下：
[0018]1)首先在金刚石粉末的表面进行镀铜处理，镀铜层的形成具有以下优点：可以改善金刚石和铜基体的亲和性和浸润性，增强结合界面的结合强度。
[0019]2)在步骤2)中，上铜基板、改性金刚石粉末、下铜基板三者之间呈现明显的“三明治”结构；在步骤4)中，在上铜基板的顶部引爆炸药，由于爆炸过程中，两板冲撞的速度很快，产生巨大的热量，表面温度很高，发生软化甚至融化，在压力的作用下，金刚石粉末与金属基体充分搅动、包覆，最终形成良好的结合界面，从而金刚石的致密度高，使得制得的铜基金刚石复合板/带材具有良好导电、导热性能。
[0020]本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0021]附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0022]图1是本专利技术提供的一种铜基金刚石复合板/带材的制备方法的一种优选实施方
式中的装置图(未铺炸药，图中两块铜基板即表示所述上铜基板、下铜基板)；
[0023]图2是本专利技术提供的一种铜基金刚石复合板/带材的制备方法的一种优选实施方式中的装置图(已铺炸药，图中两块铜基板即表示所述上铜基板、下铜基板)；
[0024]图3是本专利技术制得的铜基金刚石复合板/带材的截面的微观结构图。
具体实施方式
[0025]以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0026]本专利技术提供了一种铜基金刚石复合板/带材的制备方法，该制备方法包括：
[0027]1)将金刚石粉末进行表面化学镀铜处理以得到改性金刚石粉末；
[0028]2)将所述改性金刚石粉末均匀地置于上铜基板、下铜基板之间；
[0029]3)在上铜基板上铺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜基金刚石复合板/带材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1)将金刚石粉末进行表面化学镀铜处理以得到改性金刚石粉末；2)将所述改性金刚石粉末均匀地置于上铜基板、下铜基板之间；3)在上铜基板上铺覆炸药；4)引爆所述炸药，以使得所述上铜基板、下铜基板迅速碰撞、焊接，以得到铜基金刚石复合板/带材。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述金刚石粉末至少满足以下条件：平均粒度尺寸为100
‑
500μm、晶型完整、氮含量≤0.1wt％；优选地，所述改性金刚石粉末的表面沉积铜镀层的厚度为200
‑
400nm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述表面化学镀铜处理依次包括：化学镀、过纯水清洗2
‑
5min、钝化、过纯水清洗2
‑
5min、真空干燥；优选地，所述化学镀的镀液含有硫酸铜3
‑
8g/L、酒石酸甲钠22
‑
28g/L、氢氧化钠5
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10g/L、甲醛8
‑
12g/L、稳定剂0.05
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0.15g/L和溶剂水，化学镀的沉积时间为30
‑
90min；优选地，所述钝化中钝化液含有柠檬酸14
‑
16g/L、氨基三甲叉膦酸1.5
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2.5g/L、丙烯酸铵3.0
‑
5.0g/L、三氮杂茂2.0
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4.0g/L、双氧水20
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24ml/L、植酸6
‑
8g/L、磷酸二氢钙5
‑
8g/L、聚乙二醇18
‑
20ml/L、氯化铈0.3
‑
0.5g/L、氯化镧0.3
‑
0.5g/L和溶剂水，所述钝化液pH为3.5
‑
4.5；所述钝化的浸泡时间为10
‑
20min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述上铜基板、下铜基板各自独立满足以下条件：厚度≥0.5mm，铜含量按照质量分数≥99.95％。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，以1mm厚的上铜基板为基准，所述炸药的厚度为15
‑
25mm；所述上铜基板的厚度每增加1mm，所述炸药的厚度增加15
‑
25mm；优选地，所述上铜基板、下铜基板的的厚度各...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建生，成威，陈明，赵禹，刘桐，鹿宪珂，卫勇，桂凯旋，王秒，王刚，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：