一种高导热铜铝复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高导热铜铝复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括：对铜板和铝板分别进行表面预处理；对预处理铜板和预处理铝板分别进行表面溅射活化，温度为250~400℃，施加电压为400~800V，得到活化铜板和活化铝板；采用铜靶、银靶对活化铜板和活化铝板分别进行溅射沉积，温度为250~400℃，铜靶的施加电压为800~850V，银靶的施加电压为600~650V，得到具有铜银合金层的沉积铜板和沉积铝板；将两者的沉积面接触并进行机械结合，再进行静态热压，得到高导热铜铝复合材料。本发明专利技术提供的制备方法简单，操作方便，所制备的铜铝复合材料兼具优异的导热性能和力学性能，能够应用于车规级功率芯片中。规级功率芯片中。

【技术实现步骤摘要】
一种高导热铜铝复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金属复合材料
，具体涉及一种高导热铜铝复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]铜铝复合材料，将铜的高导热、可焊性与铝的低密度、低价格的优点相结合，在性能与成本上比纯铜材料更具有优势，在新能源汽车、电力电子、通讯等领域得到广泛应用，尤其适用于车规级功率芯片的领域。
[0003]目前，铜铝复合材料的制备方法主要有固
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液复合和固
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固复合的方式。固
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液复合法利用高温下铜铝原子的相互扩散实现铜铝复合材料的冶金结合，但界面厚度不易控制，容易出现扩散层较厚而降低复层结合强度的问题。固
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固复合法主要包括轧制复合和爆炸焊接等技术，但仍存在控制参数复杂、结合强度低、可靠性不足的问题。目前已经开发的技术仍然不能兼得高导热、质轻、界面结合好的特点，综合性能仍然不能满足使用需求。
[0004]铜铝复合材料的制备，重点是对界面组织结构、物相、微观缺陷的控制。在制备过程中，铜铝复合材料界面处会形成硬脆的金属间化合物，该物相呈细小、均匀、弥散分布状态时，能够提高界面结合强度，增加热导率，而该物相偏聚、粗化时，则会降低界面结合强度。传统的铜铝复合材料制备方法中，一般会对铜铝复合板材进行多道次的热轧与冷轧处理，制备工艺复杂，需调控参数较多，不利于批次生产的稳定性；并且，传统轧制工艺是一个对铜铝结合界面破坏再重新结合的过程，该方法导致界面处缺陷密度较高，影响产品的强度和导热性等功能。此外，传统制备方法存在界面处的组织结构混乱、导热性不足等问题，会导致铜铝复合材料的导热性能不能满足大功率散热器件的使用需求。因此，专利技术一种兼具高导热性能与力学性能的铜铝复合材料在日益增长的散热器件领域尤为重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高导热铜铝复合材料及其制备方法和应用，制备方法简单，操作方便，所制备的铜铝复合材料兼具优异的导热性能和力学性能，能够应用于车规级功率芯片中。
[0006]本专利技术提供了如下的技术方案：第一方面，提供一种高导热铜铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：对铜板和铝板分别进行表面预处理，得到预处理铜板和预处理铝板；对预处理铜板和预处理铝板分别进行表面溅射活化，溅射活化的温度为250~400℃，施加电压为400~800V，得到活化铜板和活化铝板；采用铜靶、银靶对活化铜板和活化铝板分别进行溅射沉积，溅射沉积的温度为250~400℃，铜靶的施加电压为800~850V，银靶的施加电压为600~650V，得到具有铜银合金层的沉积铜板和沉积铝板；将沉积铜板的沉积面与沉积铝板的沉积面接触并进行机械结合，再进行静态热
压，得到高导热铜铝复合材料。
[0007]进一步的，所述铜板为TU1、TU2、T1、T2板材中的一种，所述铝板为纯铝或铝合金板材。
[0008]进一步的，所述预处理包括：打磨，碱洗去除油脂，酸洗去除氧化层，清洗和干燥。
[0009]进一步的，所述溅射活化的方法包括：将溅射炉内抽至真空状态，再充入惰性气体，开启电源，以预处理铜板或预处理铝板为阴极，以溅射炉炉体为阳极，调控电压值，以惰性气体等离子体轰击预处理铜板或预处理铝板表面，使预处理铜板或预处理铝板表层组织生成高密度微观缺陷。
[0010]进一步的，所述溅射的方式为直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射中的一种。
[0011]进一步的，所述惰性气体为氩气，所述惰性气体的压强为0.2~5Pa，所述溅射活化的时间为2~10min。
[0012]进一步的，所述溅射沉积的时间为10~30min。
[0013]进一步的，所述铜靶中铜元素的含量大于99.99%，所述银靶中银元素的含量大于99.99%。
[0014]进一步的，所述铜银合金层的厚度为0.1~2μm。
[0015]进一步的，所述机械结合的方法包括：使沉积铜板位于沉积铝板正下方，置于压力装置下，沿垂直于沉积铜板和沉积铝板接触面的方向，施加压力100~150MPa，保持2~10min。
[0016]进一步的，所述静态热压的方法包括：在500~550℃的加热温度下，施加压力100~150MPa，保持10~60min，静态热压使铜板和铝板界面处的原子扩散；静态热压结束后，卸载压力，自然冷却至室温。
[0017]第二方面，提供一种高导热铜铝复合材料，采用第一方面所述方法制备得到。
[0018]第三方面，提供一种第二方面所述高导热铜铝复合材料在车规级功率芯片中的应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术采用了溅射活化+溅射沉积铜银合金层+静态热压的方法制备高导热铜铝复合材料，首先采用大功率剧烈溅射的方式使铜板、铝板表面生成大量的微观缺陷，提高了板材的表面活化能，使板材表层处于高自由能态；在后续的溅射沉积过程中，沉积层的铜原子和银原子可以快速向铜基体、铝基体缺陷处扩散，形成银原子在铜晶体、铝基体中的固溶体，且在沉积层中，铜原子与银原子以固溶或共晶的形式结合；热压过程中会发生铜、铝、银元素的相互扩散，沉积层中部分铜原子与银原子向铜基体、铝基体的微观缺陷处扩散，形成银在铜、铝晶体中的固溶体，也有部分银原子以银晶体的形式存在于界面中，同时，铜板与铝板界面处部分铜原子与铝原子结合生成硬脆性CuAl2金属间化合物，银原子以晶体形式或固溶于铜、铝晶格内形成固溶体的形式存在，抑制CuAl2相的粗化长大，细小弥散的CuAl2物相能够有效提高界面处的结合强度。
[0020]（2）本专利技术提供的高导热铜铝复合材料的制备方法，通过对铜板和铝板表面溅射活化、静态热压扩散、银原子抑制CuAl2粗化的方法实现铜板与铝板的界面冶金结合，不需要对板材进行轧制处理，制备工艺简单，操作方便，适于工业化生产，所生产的铜铝复合材料的界面可控，结合强度高，能够满足性能需求。
[0021]（3）本专利技术的溅射沉积采用铜靶与银靶同时溅射沉积的方法，通过对靶材施加电
压的调控，制备成分可控的铜银合金沉积层，铜银合金以共晶固溶体的方式分布于界面处，可以有效抑制CuAl2物相的粗化，使界面处具有良好的综合力学性能；并且，银与铜、铝具有相同的晶体结构，银原子有利于界面两侧分别形成与铜、铝板冶金结合的过渡层，使界面处兼具良好的强度与韧性。
[0022]（4）本专利技术所制备的铜铝复合材料，在其过渡层中的部分银原子以晶体的形式分布在界面处，为热量传导提供了良好通道，有效改善了过渡层中CuAl2金属间化合物导热性不良的问题；并且，银与铜、铝分别形成的固溶体界面，有效改善了界面处原子排列混乱的问题，大幅降低了因晶体微观缺陷而导致的导热率不足的问题，因此，能够极大地提高铜铝复合材料的导热性能。
具体实施方式
[0023]下面将结合具体实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导热铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对铜板和铝板分别进行表面预处理，得到预处理铜板和预处理铝板；对预处理铜板和预处理铝板分别进行表面溅射活化，溅射活化的温度为250~400℃，施加电压为400~800V，得到活化铜板和活化铝板；采用铜靶、银靶对活化铜板和活化铝板分别进行溅射沉积，溅射沉积的温度为250~400℃，铜靶的施加电压为800~850V，银靶的施加电压为600~650V，得到具有铜银合金层的沉积铜板和沉积铝板；将沉积铜板的沉积面与沉积铝板的沉积面接触并进行机械结合，再进行静态热压，得到高导热铜铝复合材料。2.根据权利要求1所述的高导热铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述预处理包括：打磨，碱洗，酸洗，清洗和干燥。3.根据权利要求1所述的高导热铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述溅射活化的方法包括：将溅射炉内抽至真空状态，再充入惰性气体，开启电源，以预处理铜板或预处理铝板为阴极，以溅射炉炉体为阳极，调控电压值，以惰性气体等离子体轰击预处理铜板或预处理铝板表面，使预处理铜板或预处理铝板表层组织...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭彪，张鹏超，
申请(专利权)人：毫厘机电苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：