[发明专利]一种高导热电子封装材料的粉末冶金制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高导热电子封装材料技术领域，提供了一种高导热金属基复合材料的粉末冶金制备方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，电子元器件的功率密度不断增大，产生的热量越来越多，同时其对于材料轻量化的要求也日益迫切，常用的封装材料已经不能满足当前电子技术快速发展的需要。开发具有更高热导率的新型电子封装材料，将半导体产生的热量及时散掉，保证功率元件的正常工作温度，已经成为电子产业发展的关键。金属基复合材料由于同时具有金属基体(如Al、Cu或Ag)和导热增强体(如金刚石或碳化硅)高热导、低膨胀的优点，因而成为电子封装材料的理想选择。相比于压力浸渗、挤压铸造等液态成型方法，粉末冶金制备过程所需的温度比较低，可避免有害的界面反应，且工艺灵活，可根据应用需求对增强体的含量进行调整，因此在高导热、低膨胀金属基复合材料的生产和科研中得到了广泛应用。在金属基复合材料的粉末冶金制备工艺中，增强体和金属基体的颗粒尺寸比(Particle Size Ratio，PSR)对复合粉末、粉末压坯及最终致密化组织的均匀性、致密度和力学性能都有重要的影响，是不可忽视的设计和工艺控制参数。但是，迄今为止，在已有的高导热金属基复合材料研究中，一般只注意导热增强体的尺寸效应，例如通过选用大尺寸金刚石来提高复合材料的导热性能；而很少关注导热增强体与金属基体的颗粒尺寸级配，更没有针对不同体积含量优化选择二者的颗粒尺寸比，从而未能充分发挥增强体应有的导热增强效应。

对现有技术的文献检索发现，文献“Effect of particle size on the microstructure and thermal conductivity of Al/diamond composites prepared by spark plasma sintering”(颗粒尺寸对等离子体烧结制备金刚石/Al复合材料显微结构和热导率的影响)(Rare Metals.28(2009)646-650)选择粒度分别为40μm、70μm、100μm的金刚石与200目铝粉(74μm)匹配，通过放电等离子体烧结制备金刚石体积含量为50％的金刚石/Al复合材料，制备材料的热导率分别为270W/mK、325W/mK、196W/mK。该研究证明，在粉末冶金工艺中，导热增强体与金属基体颗粒尺寸匹配会对导热性能产生重要的影响，但其问题在于，未遵循颗粒尺寸比(PSR)优化设计与调控的重要原则：(1)为避免出现导热增强体之间相互聚集，增强体颗粒数目必须小于或等于基体颗粒的数目；(2)对于不同增强体含量，其最佳的颗粒尺寸比(PSR)相差很大，应该分别设定。由于上述原因，金刚石的导热增强效应没有得到充分发挥，该研究制备的50％的金刚石/Al复合材料的导热性能比理论预计低很多。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于导热增强体和金属基体颗粒尺寸匹配，优化设计和制备高导热电子封装复合材料的粉末冶金制备方法。通过采用单一粒径的导热增强体和金属基体粉末，并在保证增强体颗粒数目小于基体颗粒数目的前提下，尽量选择颗粒尺寸接近的导热增强体和金属基体(PSR等于或接近1)，不但避免了导热增强体的聚集，还有利于导热增强体呈现连续排布，从而提高复合材料的导热性能。参照本发明，采用粉末冶金工艺制备的高导热金属基复合材料，其导热性能可提高6～25％。

本发明是通过以下技术方案实现的：采用单一粒径的导热增强体(R)与金属基体(M)粉末作为原材料，使二者的等效体积粒径比(D_R/D_M)和颗粒数目比(N_R/N_M)同时满足如下关系：

(N_R/N_M)·(D_R/D_M)³＝V_R/(1-V_R)

N_R/N_M≤1

D_R/D_M≥(V_R/(1-V_R))^1/3