一种金刚石/铝复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种金刚石/铝复合材料的制备方法，包括：选择Ib型人造金刚石微粉和IMS

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石/铝复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，具体涉及高热导率金刚石/铝复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]高性能热管理材料应具有高导热率和低热膨胀系数(CTE)，以最大限度地增加散热并最大限度地减少热应力和变形，这是微处理器、功率半导体、高功率激光二极管、发光二极管和微机电系统封装中的关键问题。热应力和翘曲由CTE差异引起，这在先进的电子器件中变得重要，因为例如，当使用高功率激光二极管或高集成度的IC时，会产生高热量。为了确保这些电子设备具有理想或期望的性能和足够的寿命，Halasz表明，有必要将两个组件之间的结温度降低到低于473K(200℃)的温度(对应于分立功率半导体)；398K(125℃)，(用于军事和汽车的逻辑器件)；以及对于一些商业逻辑器件为343K(70℃)。在高功率密度器件的情况下，封装基座和芯片连接热阻的允许温度范围是有限的。无论如何，热管理材料的发展在电子领域具有重要意义。
[0003]传统的封装基材是Cu
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W、AlN、BeO和Al/SiC复合材料，热导率k都接近200W/m
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k。最高的热导率材料是优质金刚石，它是一种天然存在的材料，氮含量低于100ppm，热导率约为2000W/m
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k。Johnson WB，Sonuparlak B.和Chen N，Pan XF，Gu MY两个研究小组制备了高导热复合材料，他们使用金属渗透技术制备了金刚石颗粒分散的铝基复合材料。在他们的研究中，复合材料是在高于A1基体熔点的温度下制造的(其熔点为Tm＝933K，热导率为K＝210W/m
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K)。这些渗透技术中的高加工温度被认为具有缺点，例如，由于金刚石颗粒与熔融Al的直接接触而发生的结构变化导致热导率降低。此外，当使用这种技术时，实际上很难在复合材料中均匀分散金刚石颗粒。当复合材料含有较低体积分数的金刚石时，例如小于50体积％，由于金刚石和Al之间的质量密度差异很大，这种情况尤其严重；而当金刚石的体积比占75％左右时，虽然热导率可以达到八百多，但是这种状态下材料的抗拉强度和抗弯强度均会下降，限制了可加工性和应用场合。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种金刚石/铝复合材料的制备方法，能有效解决金属渗透技术制备金刚石/铝复合材料存在加工温度高、金刚石颗粒与熔融Al直接接触导致热导率降低以及金刚石颗粒在复合材料中分散不均匀的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种金刚石/铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)配料混合：选择Ib型人造金刚石微粉和IMS
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15金刚石作为填充材料，选择纯铝粉末、A1
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8mass％Si合金粉末和Si粉末作为基体材料；将填充粉末和基体材料放入容器摇摆振动混合，随后进行球磨，球磨环境抽真空并冲入高纯氩气，球磨后得到粉末混合物；
[0008](2)热压烧结：将粉末混合物进行压制，之后抽真空进行热压烧结；其中热压烧结
的条件为：先从室温烧结至480～520℃，并在此温度保温2～4分钟，然后升温至590～620℃，并在此温度下保温1～3分钟；保持真空状态下关闭加热系统，自然冷却到100℃以下后，冲高纯氮气到烧结炉腔体，待腔内外等压后开腔，即得金刚石/铝复合材料。
[0009]其中，填充材料中Ib型人造金刚石微粉的平均粒径为300μm，IMS
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15金刚石选用平均粒径为30μm的IMM金刚石；基体材料中纯铝粉末粒径为200目，Al
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8mass％Si合金粉末的平均粒径为60μm，Si粉末的平均粒径为50μm。
[0010]其中，基体材料中纯铝粉末的用量为88～90vol％，A1
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8mass％Si合金粉末的用量为8～10vol％，Si粉末的用量为2vol％。
[0011]其中，Ib型人造金刚石微粉、IMS
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15金刚石、纯铝和A1
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8％mass Si粉末的形状分别为正十二面体状、平行八面体形、泪滴状和球形。
[0012]其中，填充粉末和基体材料在容器中摇摆振动混合的时间为1～2小时，且之后是在真空球磨罐中抽真空至10
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2Pa后冲入高纯氩气进行球磨的，氩气气压控制在0.2MPa～0.5MPa，球磨时间为4～6小时。
[0013]其中，热压烧结的条件为：首先以0.6K 0.9/s的加热速率从室温烧结至502℃，并在此温度保温2～4分钟；然后以0.03K/s
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0.07K/s的速率加热至612℃，到达该温度后保温1～3分钟；另外，在烧结过程中通过监测冲头之间的纵向位移实现可视化HP过程中复合材料的相对堆积密度的变化。
[0014]为了制备具有超高导热率和低CTE的高性能热管理材料，本专利技术通过热压(HP)工艺制备了金刚石颗粒分散的金属基复合材料。具体是通过热压(HP)工艺在连续固液共存状态下制备了分散有金刚石颗粒的铝基复合材料，该复合材料具有较高的相对堆积密度和铝基与金刚石颗粒之间的良好结合。结果表明，在50vo1％的金刚石体积分数下，热导率为583W/m
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K。在实施例中，选择双峰金刚石颗粒合成复合材料以及添加一定百分比例的铝硅粉末、纯硅粉末，目的是在热压(HP)过程中获得低于铝熔点温度产生连续的固液共存状态和形成获得最小热阻的离散铝/碳化硅/金刚石界面。
[0015]本专利技术通过改进金刚石/铝界面组分和结构获得低的界面热阻，可以在金刚石体积比为50％左右的低组分比状态获得热导率大于520W/m
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K的金刚石/铝复合材料；金刚石/铝复合材料的抗拉强度(UTS)最大可达350MPa；热膨胀系数(CTE)小于10/K；金刚石体积比可在50％
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74％范围连续调节以获得匹配功率器件接触面热膨胀系数(CTE)的不同组分的金刚石/铝复合材料；较低的热压烧结温度(600K左右)避免对金刚石微粉的热学性能的破坏。
附图说明
[0016]图1为金刚石/铝复合材料界面结构示意图；
[0017]图2为HP热压烧结装置及合成材料微结构示意图；
[0018]图3为铝
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硅合金相图；
[0019]图4为穿晶断裂示意图；
[0020]图5为金刚石/铝复合材料的XRD表征结果。
具体实施方式
[0021]为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本专利技术的一种或几种具体的实施方式，并不对本专利技术具体请求的保护范围进行严格限定。
[0022]根据三维欧几里得空间，如果金刚石颗粒为球形且尺寸均匀，那么铝基复合材料中金刚石颗粒的最大体积分数理想情况下约为74vol％。由于一些实验限制，当使用大致单一尺寸的金刚石本文档来自技高网...

【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：(1)配料混合：选择Ib型人造金刚石微粉和IMS
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15金刚石作为填充材料，选择纯铝粉末、A1
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8mass％Si合金粉末和Si粉末作为基体材料；将填充粉末和基体材料放入容器摇摆振动混合，随后进行球磨，球磨环境抽真空并冲入高纯氩气，球磨后得到粉末混合物；(2)热压烧结：将粉末混合物进行压制，之后抽真空进行热压烧结；其中热压烧结的条件为：先从室温烧结至480～520℃，并在此温度保温2～4分钟，然后升温至590～620℃，并在此温度下保温1～3分钟；保持真空状态下关闭加热系统，自然冷却到100℃以下后，冲高纯氮气到烧结炉腔体，待腔内外等压后开腔，即得金刚石/铝复合材料。2.根据权利要求1所述的金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：填充材料中Ib型人造金刚石微粉的平均粒径为300μm，IMS
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15金刚石选用平均粒径为30μm的IMM金刚石；基体材料中纯铝粉末粒径为200目，Al
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8mass％Si合金粉末的平均粒径为60μm，Si粉末的平均粒径为50μm。3.根据权利要求2所述的金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：基体材料中纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏，马春兰，刘伟祎，章于道，
申请(专利权)人：苏州窄带半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：