一种梯度金刚石/金属复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种梯度金刚石金属复合材料及其制备方法。该梯度金刚石/金属复合材料包括上、下金属表层、以及依次设置在上、下金属表层之间的金刚石金属次表层、金刚石金属芯层、金刚石金属次表层，其中，金刚石金属次表层中金刚石颗粒的粒径(D50)控制在30～50μm；金刚石金属芯层中含有粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石，粗颗粒金刚石的粒径(D50)控制在100μm～300μm，芯层中细颗粒金刚石的粒径(D50)控制在30～50μm。其制备方法包括步骤：(1)准备表层、次表层、芯层原料，分别装入激光熔覆设备的三个独立的喷嘴之中。(2)在合金基板上覆盖金属箔材，并采用压边圈压紧。(3)在真空环境下，在金属箔材表面进行激光熔覆，依次形成各层。(4)熔覆完成后，进行机械加工。进行机械加工。进行机械加工。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度金刚石/金属复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料
，具体涉及一种易机械加工和焊接的梯度金刚石/金属复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着半导体技术的发展，芯片散热已经成为业内公认的瓶颈问题。金刚石是已知的自然界中导热率最高的材料，当前金刚石、金刚石/金属复合材料被广泛应用于制造芯片热沉。作为芯片热沉材料，要求其兼具高导热和与芯片材料膨胀系数适配的特点。导热率越高越利于芯片的散热，金刚石在复合材料中的含量与导热率成正比关系。热膨胀系数与芯片材料适配性越好越利于应力管控，金刚石在复合材料中的含量与热膨胀系数成反比关系。为了获取更高的导热系数和更低的热膨胀系数，人们不断的提升金刚石在复合材料中的含量。金刚石作为导热增强体与金属构成复合材料，一般存在这样的规律——金刚石体积分数越大，复合材料的导热率越大，膨胀系数越小，反之亦然。而铜/金刚石复合材料作为热沉应用时，因为需要获取粗糙度极低(Sa＜1μm)的表面，所以必须采用粒径更小的金刚石。此外，因为金属热沉材料需要与芯片或其他组件进行连接，所以还要求其具有良好的可焊性。当前解决可焊性主要是通过材料的表现金属化来实现。而金刚石含量越高，复合材料的金属化能力越差，焊接难度越大。可以看出，当前铜/金刚石复合材料的应用需求中存在突出矛盾，即导热率、膨胀系数与表面可加工性、可焊性之间的矛盾。
[0003]如图2所示，铜/金刚石复合材料热沉通用的加工路径是：熔渗或粉末冶金制备坯料(a)
→
激光加工外形(b)
→<br/>磨削表面(c)
→
表面金属化(d)。可以看出材料的导热率、膨胀系数以及可加工性在坯料制备阶段已经固化。
[0004]如上文所述，目前亟待突破原有坯料制备方法的限制，在保持原有材料的高导热、低膨胀特点的前提下，解决表面精密加工性不足、焊接难度大的问题，为金刚石/金属复合材料的工业化批量应用铺平道路。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种梯度金刚石/金属复合材料，该复合材料易机械加工和焊接。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种所述梯度金刚石/金属复合材料的制备方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种梯度金刚石/金属复合材料，其特征在于，所述复合材料包括上、下金属表层、以及依次设置在上、下金属表层之间的金刚石金属次表层、金刚石金属芯层、金刚石金属次表层，其中，金刚石金属次表层中金刚石颗粒的粒径(D50)控制在30～50μm；金刚石金属芯层中含有粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石，粗颗粒金刚石的粒径(D50)控制在100μm～300μm，芯层中细颗粒金刚石的粒径(D50)控制在30～50μm。
[0009]进一步地，所述金属为铜或铝。
[0010]进一步地，所述上、下金属表层可以根据实际作用设计不同的厚度，与芯片连接的表层的金属原始厚度应控制在1～2mm，与其他散热结构连接的表层的金属原始厚度应控制在1～5mm。
[0011]进一步地，所述金刚石金属次表层中金刚石体积分数控制在50％～60％，各金刚石金属次表层厚度分别为0.2mm～1mm。
[0012]进一步地，所述金刚石金属芯层中金刚石体积分数控制在65％～70％，金刚石金属芯层的厚度为0.2～2mm。优选地，金刚石金属芯层中粗颗粒金刚石、细颗粒金刚石的体积分数之比为2～4。
[0013]一种梯度金刚石/金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)选取金属粉原料，金属粉颗粒的粒径(D50)控制在50μm～150μm；将部分金属粉与次表层用金刚石按照上述要求混合，获得次表层原料；再将部分金属粉与芯层用金刚石按照上述要求混合，获得芯层原料；分别装入激光熔覆设备的三个独立的喷嘴之中。
[0015](2)在合金基板上覆盖与金属粉化学组分一致的金属箔材，箔材厚度为0.05～0.5mm，并采用压边圈压紧。
[0016](3)在真空环境下，在金属箔材表面进行激光熔覆，依次熔覆金属表层、金刚石金属次表层、金刚石金属芯层、金刚石金属次表层、金属表层，通过控制熔覆层数调整各层的厚度。在熔覆过程中，金属粉熔化后再凝固连接形成连续基体，金刚石形态不发生变化，按照预设分布在次表层和芯层中。
[0017](4)熔覆完成后，将熔覆获得的块体材料连同金属箔材一并取下，采用激光切割周向，获取外形轮廓。以金属箔材的外表面为厚度方向尺寸控制的基准面，进行磨削、抛光，获得上、下表面均匀覆盖金属层的复合材料，从而无需进行表面金属化，即可进行焊接封装。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]本专利技术的梯度金刚石/金属复合材料设计了三种功能层，其中金属表层承载了材料封装表面的精密加工和焊接；次表层的作用是防止芯部大颗粒金刚石流动到表层而影响加工；芯层的作用是尽可能提升材料整体的导热率和降低材料的膨胀系数。上述设计理念，保证了在不降低复合材料导热率和膨胀系数的前提下，极大改善了材料的可加工性和可焊性，从而大幅缩减了金刚石金属复合材料的加工流程，同时也降低了加工难度和成本，提升了金刚石金属复合材料作为热沉材料的适应性，进一步挖掘了金刚石/金属复合材料的性能潜力。
[0020]并且，本专利技术利用激光熔覆成形技术可以精确控制增材组份和尺寸的特点，制备所述梯度金刚石/金属复合材料，制备工艺简单方便，并未大幅增高原材料和加工成本。本专利技术制备的材料可以广泛应用于高功率电子元器件的芯片和激光器热沉。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的梯度金刚石/金属复合材料及其加工过程示意图。
[0022]图2为传统金刚石/金属复合材料及其加工过程示意图。
具体实施方式
[0023]以下结合附图和实施例对本专利技术进行进一步详细说明，但并不意味着对本专利技术保
护范围的限制。
[0024]如图1(b)所示，本专利技术的梯度金刚石/金属复合材料，由上至下依次包括上金属表层1、金刚石金属次表层2、金刚石金属芯层3、金刚石金属次表层4、下金属表层5。
[0025]在本专利技术的梯度金刚石/金属复合材料的制备过程中，下金属表层5与预制的金属箔材焊合在一起。金属为铜或铝，金刚石金属次表层中金刚石颗粒的粒径(D50)控制在30～50μm；金刚石金属芯层中含有粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石，粗颗粒金刚石的粒径(D50)控制在100μm～300μm，芯层中细颗粒金刚石的粒径(D50)控制在30～50μm。熔覆完成后，如图1(a)至图1(b)所示，以金属箔材的外表面为基准面，通过磨削和抛光工艺调控上、下金属表层的厚度和表面粗糙度。在本专利技术的梯度金刚石/金属复合材料中，上、下金属表层均可与芯片材料焊合。
[0026]在本专利技术的梯度金刚石/金属复合材料中，上、下金属表层可以根据实际作用设计不同的厚度，与芯片连接的表层的金属原始厚度应控制在1～2mm，与其他散热结构连接的表层的金属原始厚度应控制在1～5mm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度金刚石/金属复合材料，其特征在于，所述复合材料包括上、下金属表层、以及依次设置在上、下金属表层之间的金刚石金属次表层、金刚石金属芯层、金刚石金属次表层，其中，金刚石金属次表层中金刚石颗粒的粒径(D50)控制在30～50μm；金刚石金属芯层中含有粗颗粒金刚石和细颗粒金刚石，粗颗粒金刚石的粒径(D50)控制在100μm～300μm，芯层中细颗粒金刚石的粒径(D50)控制在30～50μm。2.根据权利要求1所述的梯度金刚石/金属复合材料，其特征在于，所述金属为铜或铝。3.根据权利要求1或2所述的梯度金刚石/金属复合材料，其特征在于，所述上、下金属表层中，与芯片连接的表层的金属原始厚度控制在1～2mm，与其他散热结构连接的表层的金属原始厚度控制在1～5mm。4.根据权利要求1或2所述的梯度金刚石/金属复合材料，其特征在于，所述金刚石金属次表层中金刚石体积分数控制在50％～60％，各金刚石金属次表层厚度分别为0.2mm～1mm。5.根据权利要求1或2所述的梯度金刚石/金属复合材料，其特征在于，所述金刚石金属芯层中金刚石体积分数控制在65％～70％，金刚石金属芯层的厚度为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：黄树晖，郭宏，解浩峰，彭丽军，李增德，米绪军，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：