[发明专利]表面覆金属层的铜金刚石复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料及其制备方法和应用，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；表面金属层包括钨铜、钼铜和铱铜中的一种，铜金刚石芯材的铜和表面金属层中的铜为连续分布相。本发明的表面覆金属层的铜金刚石复合材料，表面金属层可使铜金刚石芯材中的金刚石颗粒免于裸露，从而降低了制备成零部件的机械加工难度，降低了表面覆金属层的铜金刚石复合材料的表面粗糙度。表面金属层具有较高的热导率，且膨胀系数与铜金刚石芯材相匹配，使得铜金刚石芯材和表面金属层二者间的界面应力较低，从而满足温度循环要求高的航空航天领域使用。

技术领域

本发明涉及电子信息工业用的电子封装材料领域，特别地，涉及一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料。此外，本发明还涉及上述表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法和应用。

背景技术

随着大功率第三代半导体氮化镓等芯片的大量应用和高能激光武器的逐渐列装，对封装材料的散热要求日益严苛。现有的封装材料如铜/钼/铜、铝硅、铝碳化硅等散热能力有限，难以满足大功率电子器件的封装需求，开发新一代高导热封装材料已成为高功率器件发展应用中亟待解决的问题。

金刚石是自然界中导热最好的材料，常温下热导率最高可达2200W/(m·K)，热膨胀系数为8.6×10^-7/K，符合电子封装材料高导热和低膨胀系数的使用要求。铜是工业领域内最重要的工程材料之一，具有优良的导热和导电性，其热导率为400W/(m·K)，热膨胀系数为17×10^-6/K。将金刚石和铜结合起来不但具有较高的热导率，还满足电子封装器件低膨胀和轻质化的要求，是一种极具竞争力的新型电子封装材料。因此，铜金刚石复合材料正逐渐成为新一代封装材料的研究热点。

经过十余年的研发，国内铜金刚石复合材料的制备方法日趋成熟，主要表现有粉末冶金法、放电等离子烧结法、压力浸渗法等，制备的铜金刚石复合材料的主要性能指标也已达到国际先进水平。

专利CN111304481A公开了一种金刚石-金属复合材料的熔渗制备工艺及金刚石-金属复合材料，其提出采用丝网方式限定金刚石颗粒在浸渗过程时在铜液中的浮动，该方式可以在上下表面形成薄层金属层，但侧表面不易获得薄金属层，特别不适合铜金刚石异形件和复杂件。

专利CN106670897A公开了一种一种适用于金刚石-铜复合材料的表面加工方法，其采用陶瓷结合剂的金刚石砂轮进行两次粗磨，然后再采用高硬度金刚石砂轮进行精磨。通过该方法制备的铜金刚石材料表面有金刚石颗粒裸露，而且陶瓷结合剂金刚石砂轮成本高，单次磨削量小，生产成本高。

专利CN102732764A公开了一种高热导、低热膨胀系数金刚石/铜复合材料的制备方法，先通过化学镀工艺在金刚石颗粒表面镀铜，然后再与铜粉混合，最后通过真空热压工艺制备铜金刚石材料。通过此类工艺制备的铜金刚石材料表面有金刚石颗粒裸露。

专利CN105779805A公开了一种泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料，提出了采用泡沫金属为基材，通过化学气相沉积工艺在多孔金属基材孔隙表面生成金刚石膜、石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜、石墨烯/碳纳米管包覆金刚石膜中的至少一种，或者在上述泡沫金属基材中添加强化颗粒后再进行化学气相沉积，然后再采用压力熔渗技术将铜与具有金刚石强化层的增强体复合，采用化学气相沉积金刚石层时间长，金刚石层厚度小，成本高。

目前国内在制备铜金刚石零部件的过程中，金刚石颗粒容易发生裸露，金刚石颗粒的裸露会导致以下两个问题：