[发明专利]一种全金属包覆异形金属基金刚石复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种全金属包覆异形金属基金刚石复合材料的制备方法，用刻字机在圆形金属箔胶带的离型纸上雕刻出异形件各横截面的形状，撕掉雕刻异形件区域的离型纸；用金刚石布料机将含有涂层的金刚石颗粒均匀铺布在金属箔胶带的异形件区域，然后撕掉非异形件区域的离型纸，将铝粉或铜粉用布料机均匀铺布在金属箔胶带上得到复合薄片；多层叠放后预压得到金属基金刚石复合材料预制件；放于热压炉中，真空环境下热压烧结成型，切割得到所需复合材料；本发明所制备的金属基金刚石复合材料表层是全金属覆盖，易于机械加工，近净成型异形件，金刚石体积分数和样品厚度可调控，导热率高，热膨胀系数小，且热导率和热膨胀系数可调。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种金属基金刚石复合材料的制备方法。

背景技术

随着航天、通信等领域电子器件向着小型化、集成化和高功率化的趋势不断发展，急剧增加的热通量给器件散热带来巨大挑战，过高的温度已经成为电子器件寿命降低和性能失效的重要因素。金刚石是自然界中热导率(600～2200W·m^-1·K^-1)最高的材料，而且具有较低的热膨胀系数(1.0×10^-6K^-1)和较低的密度(3.52g/cm³)。因此，金刚石作为增强相与铜、铝等金属复合可以得到高热导率、低热膨胀系数的导热复合材料。金属基金刚石高导热复合材料比传统第一代W-Cu和第二代SiC-Al复合热沉材料热导率都高，热膨胀系数低，具有更优异的散热性能，可应用于集成散热片、激光二极管散热基板、IGBT基板、LED散热片等诸多领域。对于其中某些应用场景，需要异形件，现有的金属基金刚石复合材料制备方法难以达到易加工异形件的低成本简易制备。

金属基金刚石复合材料的制备方法分为粉末冶金法和液相法。粉末冶金法主要有热压烧结、放电等离子体烧结和热等静压烧结，其中只有热压烧结适宜工业化批量生产，且成本较低。热压烧结过程为：先将干燥粉料填充到模具内，然后在加热同时对模具单向施压，温度和压强的同时作用下金属粉料处于热塑性状态，一定的压强能促进颗粒重排和颗粒间的塑性流动，可以制备高致密度的复合材料。液相法主要有压力熔渗、无压熔渗和挤压铸造。压力熔渗制备的复合材料相对密度高，温度髙，反应时间充分，复合材料界面结合好；但同时也带来金刚石石墨化及人造金刚石中杂质在高温下引起金刚石破裂从而导致热导率下降的问题。更重要的是该制备工艺的设备投资和模具成本较高，生产周期长，生产成本高，适宜科研和小批量生产。无压熔渗对润湿性要求高，复合材料界面结合难控。挤压铸造法所施加压力较大，因此生产时间短，渗透可以在几分钟内完成，工艺稳定性好，但其缺点是需要高压设备及密封良好的耐高压模具，因此生产费用较高，在生产形状复杂的零件时限制很大。综上所述，热压烧结适宜于工业化批量生产，且能在较低温度和较小压力的作用下制备出性能较好的金属基金刚石复合材料。

但热压烧结受限于其单向加压方式，只能制备圆形或方形饼状产品，并且热压烧结法制备金属基金刚石复合材料多采用粉末冶金法，即先将金属粉和金刚石颗粒混合均匀，再放置热压烧结炉中进行烧结，无法一次性成型异形件，即使烧结后通过激光切割等方式切成异形件，剩余部分的金刚石颗粒难以回收利用，制备异形件的成本高。金属基金刚石复合异形件除了制备难度大，还存在加工难度大的问题。金刚石硬度极大，金属铜或铝相对较软，导致金属基金刚石复合材料难以磨削和抛光，只能采用金刚石材质进行金属基金刚石复合材料的磨抛，不仅成本高，加工效率低，并且加工精度低、表面粗糙，难以满足实际应用的需求。针对金属基金刚石热沉材料的应用场景，封装基板材料需要对金属基金刚石复合材料进行金属镀层等处理，因此对材料表面粗糙度有一定要求。目前金刚石-铜或金刚石-铝复合材料进行研磨抛光后的表面粗糙度难以达到要求，极大限制了金属基金刚石复合材料在电子封装领域的使用。现有技术对金属基金刚石复合材料的易加工性和异形件制备关注较少或工艺复杂成本高。

发明内容