一種金屬基超硬復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超硬復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種金屬基超硬復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于電子封裝材料的要求不斷提高，作為新一代電子封裝材料的超硬材料粉體增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于具備優(yōu)異的熱物理性能和良好的機(jī)械性能，受到了廣泛的關(guān)注。
[0003]電子封裝材料的應(yīng)用需要考慮兩大基本性能要求，首先是高的熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩(wěn)定工作；同時(shí)，封裝材料需要具有可調(diào)控的熱膨脹系數(shù)，從而與芯片和各級(jí)封裝材料保持匹配，降低熱應(yīng)力的不良影響。金屬類封裝材料因具有較高的熱導(dǎo)率、較低的熱膨脹系數(shù)以及機(jī)械加工性能良好，而被作為應(yīng)用最廣泛的核心材料，在電子封裝材料發(fā)展的各個(gè)時(shí)期都具有重要的意義。但隨著微納米技術(shù)的發(fā)展以及金剛石等高熱導(dǎo)率材料在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，而電子封裝材料的發(fā)展開始由金屬材料向金屬與金剛石等超硬材料復(fù)合的方向發(fā)展。
[0004]金剛石的熔點(diǎn)為3550°C，cBN的熔點(diǎn)為3300°C左右。在真空中金剛石的石墨化開始于1600°C-1700°C (失效溫度)，cBN的熱穩(wěn)定性高達(dá)1550-1800°C (失效溫度)?，F(xiàn)有的復(fù)合技術(shù)中通常采用熔滲法在金屬中復(fù)合金剛石制備金屬基復(fù)合材料，該方法存在以下缺點(diǎn):首先金剛石與金屬潤(rùn)濕性極差，難以直接制備出致密的復(fù)合材料，同時(shí)也帶來(lái)了金剛石的石墨化及人造金剛石中雜質(zhì)在高溫下引起金剛石破裂等問(wèn)題;其次，熔滲法受顆粒大小、滲透溫度和時(shí)間等因素影響，生產(chǎn)過(guò)程緩慢，設(shè)備復(fù)雜;此外，采用氣體壓力熔滲還存在施加的壓力較小、人造金剛石中雜質(zhì)在高溫下引起金剛石破裂從而高熱熱導(dǎo)率下降等問(wèn)題。
[0005]因此，研究出一種能夠制備出具有優(yōu)越性能的金屬類封裝材料具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種金屬基超硬復(fù)合材料，提供該金屬基超硬復(fù)合材料的制備方法則是本發(fā)明的另一個(gè)目的。
[0007]基于上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種金屬基超硬復(fù)合材料，由以下重量百分比的原料制備而成:納米金屬粉20%-68.8%、超硬材料粉體30%-75%和潤(rùn)濕劑0.2%_5%。
[0008]優(yōu)選地，所述納米金屬粉為Al、Cu或Ag納米粉體中的一種或兩種以上的混合物，粒度為50 nm _200nm。
[0009 ]優(yōu)選地，所述鍍覆金剛石和鍍覆立方氮化硼的粒度均為50nm-300ym。
[0010]優(yōu)選地，所述超硬材料粉體的鍍層為鎳、銅、鈦或鎢，鍍層厚度為50ηπι-2μπι。
[0011]優(yōu)選地，所述潤(rùn)濕劑為S1、T1、Mg、Fe、Β、Cr、Μο或W的一種或兩種以上的混合物。
[0012]所述金屬基超硬復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:將納米金屬粉、超硬材料粉體和潤(rùn)濕劑球磨混合后冷壓成胚體;將胚體置于真空或還原氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)溫度高于納米金屬粉的熔點(diǎn)、低于超硬材料粉體的失效溫度。
[0013]進(jìn)一步地，所述納米金屬粉為Al粉，燒結(jié)溫度為680-950°C，燒結(jié)時(shí)間l_3h。
[0014]進(jìn)一步地，所述納米金屬粉為Cu粉，燒結(jié)溫度為1100-1300°C，燒結(jié)時(shí)間l_3h。
[0015]進(jìn)一步地，所述納米金屬粉為Ag粉，燒結(jié)溫度為980-1200°C，燒結(jié)時(shí)間l_3h。
[0016]進(jìn)一步地，冷壓步驟采用雙向壓制，溫度為15_35°C，壓力為100_500MPa，保壓5-30s ο
[0017]金剛石的的熱導(dǎo)率高達(dá)700-2000W/(m.K)，而熱膨脹系數(shù)和密度僅有1.0 X 10一6K一1和3.52g/cm3; cBN(立方氮化硼)的熱導(dǎo)率僅次于金剛石，可達(dá)1300W/Cm.K)，是Cu和Ag的4-5倍，線膨脹系數(shù)約為4.7 X 10—I—1。若將金剛石或cBN與金屬粉末復(fù)合完全能夠提高其熱導(dǎo)率、低膨脹的要求。
[0018]△1、&1和六8的熔點(diǎn)分別為660°(:、1083°(:、962°(:，熱導(dǎo)率分別為238、109、4291八111.K)。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)本發(fā)明采用鍍覆的金剛石或cBN，在金剛石或cBN表面進(jìn)行鍍覆后，可以通過(guò)該層金屬與基體金屬或潤(rùn)濕劑形成穩(wěn)定的化學(xué)冶金結(jié)合，改善金剛石或cBN與金屬的潤(rùn)濕性，從而提尚超硬材料與金屬之間的界面結(jié)合力，進(jìn)而提尚材料的熱導(dǎo)率。
[0020](2)在金剛石表面進(jìn)行鍍覆可以減少金剛石被氧化和石墨化的程度;在cBN表面進(jìn)行鍍覆可以減少cBN高溫下的氧化和反轉(zhuǎn)化。
[0021 ] (3)與壓力熔滲法相比，通過(guò)本發(fā)明提供的方法制備出的復(fù)合材料可以精確的控制超硬材料和金屬的體積配比，從而精確的控制制備出的金屬基超硬復(fù)合材料的熱物理性能，生產(chǎn)過(guò)程快，設(shè)備簡(jiǎn)單，采用鍍覆的超硬材料降低了金剛石或cBN破裂率。
[0022](4)本發(fā)明中添加了潤(rùn)濕劑，潤(rùn)濕劑與復(fù)合材料的兩相形成良好的化學(xué)結(jié)合，從而改善復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)。同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)控鍍覆參數(shù)來(lái)直接控制鍍層的厚度、結(jié)構(gòu)和成分組成等參數(shù)，從而有目的性地優(yōu)化復(fù)合材料界面;而鍍層厚度超出2μπι后，鍍層則會(huì)導(dǎo)致超硬材料的性能下降，不利于提高符合材料的熱導(dǎo)率。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]對(duì)比例I
一種金屬基超硬復(fù)合材料，由以下重量百分比的原料制備而成:50%的粒度為10nm的Cu納米粉體、49.5%的粒度為50μπι金剛石粉(無(wú)鍍層)和0.5%的Si粉。
[0025]上述金屬基超硬復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:(I)將Cu納米粉體、金剛石粉(無(wú)鍍層)和Si在球磨罐中混合4h后，在15°C、250Mpa條件下雙向壓制20s，制成胚體；
(2)將胚體干燥后置于1100°C真空或還原氣氛中燒結(jié)3h，得到Cu基金剛石的復(fù)合材料。
[0026]經(jīng)檢測(cè)對(duì)比例I制備的Cu基金剛石的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為425ff/(m.K)，熱膨脹系數(shù)為6.2 X 10—6IT113
[0027]實(shí)施例1
一種金屬基超硬復(fù)合材料，由以下重量百分比的原料制備而成:50%的粒度為10nm的Cu納米粉體、49.5%的粒度為50μπι鍍Cu金剛石粉和0.5%的Si粉，其中鍍層厚度為80nm。
[0028]上述金屬基超硬復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:(I)將Cu納米粉體、鍍Cu金剛石和Si在球磨罐中混合4h后，在15°C、250Mpa條件下雙向壓制20s，制成胚體；
(2)將胚體干燥后置于1100°C真空或還原氣氛中燒結(jié)3h，得到Cu基金剛石的復(fù)合材料。
[0029]經(jīng)檢測(cè)實(shí)施例1制備的Cu基金剛石的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為535W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)為5.6X10—6K'與添加無(wú)鍍層的金剛石顆粒相比，添加鍍Cu金剛石所制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與對(duì)比例I相比提高了將近110 ff/(m.K)，熱膨脹系數(shù)降低了0.4X10—6K'
[0030]實(shí)施例2
一種金屬基超硬復(fù)合材料，由以下體積百分比的原料制備而成:40%粒度為80nm的Al納米粉體、59%的粒度為150μπι的鍍Ti金剛石粉和1%的Mg粉，其中鍍層厚度為200nm。
[0031]上述金屬基超硬復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:(I)將Al納米粉體、鍍Ti金剛石粉和Mg粉在球磨罐中混合3h后，在35°C，10MPa條件下雙向壓制30s，制成胚體；
(2)將胚體干燥后置于680°C真空或還原氣氛中燒結(jié)2h，得到Al基金剛石的復(fù)合材料。
[0032]經(jīng)檢測(cè)實(shí)施例2制備Al基金剛石的復(fù)合材料熱導(dǎo)率為635W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)為6.7X10—I—1。與添加無(wú)鍍層的金剛石顆粒相比，添加鍍Ni的金剛石所制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與對(duì)比例I相比提升了將近210 ff/(m.K)。
[0033]實(shí)施例3
一種金屬基超硬復(fù)合材料，由以下重量百分比的原料制備而成:50%的粒度為60nm的Ag納米粉體、49.8%的粒度為10nm鍍Ni金剛石粉和0.2%的5丨粉，其中鍍層厚度為300111110
[0034]上述金屬基超硬復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:(I)將Ag納米粉體、鍍Ni金剛石粉和Si粉在球磨罐中混合3h后，在20°C，500Mpa條件下雙向壓制10s，制成胚體；
(2)將胚體干燥后置于100tC真空或還原氣氛中燒結(jié)3h，得到Ag基金剛石的復(fù)合材料。
[0035]經(jīng)檢測(cè)實(shí)施例3制備Ag基金剛石的復(fù)合材料熱導(dǎo)率為647W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)為5.6X10—I—1。與添加無(wú)鍍層的金剛石顆粒相比，添加鍍Ni金剛石所制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與對(duì)比例I相比增大了將近220 ff/(m.K)，熱膨脹系數(shù)降低了0.6X10—6K'
[0036]實(shí)施例4
一種金屬基超硬復(fù)合材料，由以下重