[发明专利]一种超高导热石墨鳞片/铜复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高性能电子封装功能材料领域，涉及一种高导热石墨鳞片增强铜基复合材料的制备方法。

背景技术

随着现代电子信息技术的迅速发展，电子元器件的集成度与功耗不断提高，散热问题成为影响电子产品可靠性的关键因素之一。传统的电子封装材料的导热率已经很难满足现代电子器件散热任务的需要。同时，电子产品向小型化、轻量化、复杂化的发展也对电子封装材料提出了更高的要求。

近年来，以金刚石为增强相的金属基复合材料，凭借起超高的热导率，可调的热膨胀系数，被誉为是第三代新型电子封装材料。但从目前市场状况来看，并没有得到大规模应用。其金刚石增强金属基复合材料的可加工性较差且成本较高是限制其广泛应用的主要原因。

石墨作为碳的另一种同素异形体，凭借其在石墨片层方向上的高导热，低膨胀系数以及良好的加工性能已开始被尝试于和金属的复合，成为电子封装用金属基复合材料研发的新动向。石墨鳞片的高导热来主要来源于石墨六角网状平面层内碳原子间牢固的共价键结合和高度有序的晶格排列。研究表明，高质量有序排列的石墨鳞片在其石墨片层方向上的热导率可达1000-2000W·m^-1·K^-1。因此使用石墨鳞片作为增强相与高热导的铜基体进行复合所制备的复合材料有希望获得超高的热导率。同时石墨鳞片/铜复合材料兼有很低的热膨胀系数、价格低廉和加工性良好的优势，非常适合与做电子封装材料。

但制备高性能的石墨鳞片/铜复合材料需要解决两个关键的问题：1、石墨鳞片仅在片层方向上具有较高的热导率，而片层间结合力弱，其理论热导率值仅为6W·m^-1·K^-1。因此利用石墨片层二维平面内高热导率使其在基体中获得择优的定向排列是获得高导热复合材料的关键。2、碳-铜体系即使在高温下也不润湿，如何使石墨鳞片与铜充分接触，获得均匀的分布以及良好的结合，是提高复合材料热导率的重要因素。

德国科学家ThomasHutsch在文献中阐述了通过粉末冶金法将石墨鳞片与铜进行混合，使用等离子体放电烧结制备石墨鳞片/铜复合材料的方法。所制备的复合材料呈各向异性，在垂直压力方向的平面内展现出了较高的热导率。当石墨鳞片的体积分数为50％时，所制备的复合材料在垂直压力方向的平面上的热导率为550W·m^-1·K^-1。但鳞片在基体中定向排布的比率不高，鳞片有较大弯折的现象发生，石墨鳞片片层方向上的高热导率未能完全发挥作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用在二维平面内进行热扩散传导的超高导热的石墨鳞片增强铜基电子封装复合材料及其制备方法。

一种高性能石墨鳞片增强铜基复合材料，所述复合材料中包覆钛、铬、钼、钨或者其相关碳化物的石墨鳞片增强体与基体铜混合而成，其中石墨鳞片的体积分数在20％-80％之间；石墨鳞片的平均直径为50μm-1500μm，长径比在10-100之间；石墨鳞片的石墨化程度在88％-99％之间；使用X射线衍射石墨鳞片进行测定其(002)晶面的间距d₀₀₂值在0.3345-0.3360nm之间。

所选用的基体铜为平均粒度大小5μm-80μm的电解铜粉混合，或使用平均直径为5μm-20μm，长径比为20-50的片状铜粉作为基体材料。

为到达使石墨鳞片在基体中定向排布，以及与铜基体之间紧密结合的目的，本发明采用对石墨鳞片进行表面改性，随后使用挤制成形法制备石墨-铜混合浆料，随后在烧结过程中出去浆料中的有机成分，并压制烧结成复合材料块体。其特征在于包含以下工序：

(1)使用盐浴镀、真空微蒸发镀或溶胶凝胶法等任意一种镀覆方式，在石墨鳞片的表面镀上金属钛、铬、钼、钨或者其相关碳化物的镀层，其厚度在0.1μm-2μm之间。表面改性后的石墨与铜的润湿角降低，结合力由原来的弱的机械结合变为强的化学结合。

(2)使用上述表面改性后的石墨鳞片，平均粒度大小5μm-80μm的电解铜粉混合，也可使用平均直径为5μm-20μm，长径比为20-50的片状铜粉作为基体材料，混合后石墨鳞片的其体积分数为20-80％。混合时加入按一定比例组分配置的浆料，浆料的组成包括粘合剂、增塑剂以及溶剂。

粘合剂包括：PVA、甲基丙烯酸乙酯等相关领域常用的粘结剂，加入量为每100g溶剂1-20g。