一种铜基金刚石散热片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了提供一种铜基金刚石散热片及其制备方法，该制备方法包括：1)将金刚石粉末采用化学镀进行表面镀铜处理，以得到镀铜金刚石粉末；2)将镀铜金刚石粉末弥散在电电镀液中，形成电镀液胶体；3)将铜基板联结直流电源负极作为电镀阴极、铅板联结直流电源正极作为电镀阳极，置于电镀液胶体中，构成电镀回路；4)开启电源，沉积制备铜基金刚石散热片。该制备方法具有原材料制备简单、制造工艺路径简明、极易实现批量化生产、金刚石的致密度高、金刚石与铜结合良好的特点，从而使得该铜基金刚石散热片具有优异的导热性能。散热片具有优异的导热性能。散热片具有优异的导热性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铜基金刚石散热片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及铜基复合材料，具体地，涉及一种铜基金刚石散热片及其制备方法。

技术介绍

[0002]金刚石具有禁带宽度大、硬度和热导率极高、电子饱和漂移速度高、耐高温、耐腐蚀、抗辐照等优异性能，在高压和高效功率电子、高频和大功率微电子、深紫外光电子等领域都有着极其重要的应用前景。金刚石是目前已知热导率(2200W/(m
·
K))最高的天然物质，比碳化硅(SiC)大4倍，比硅(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是铜和银的4～5倍。因此，金刚石是制备导热构件的首选材料。但是，由于其无法加工及变形，只能将其与导热性能良好的的金属相结合，制备出金属基金刚石复合材料用于工业生产。
[0003]金刚石是立方晶体，由碳原子通过共价键结合形成。金刚石的许多极致属性都是形成刚性结构的sp3共价键强度和少量碳原子作用下的直接结果。金属通过自由电子传导热量，其高热传导性与高导电性相关联，相比之下，金刚石中的热量传导仅由晶格振动(即声子)完成。金刚石原子之间极强的共价键使刚性晶格具有高振动频率，因此其德拜特征温度高达2220K。由于大部分应用远低于德拜温度，声子散射较小，因此以声子为媒介的热传导阻力极小。但是，任何晶格缺陷(晶界、界面、位错等)都会产生声子散射，从而降低电导率和热传导性，这是所有晶体材料的固有特征。
[0004]一旦选择好了基体材料与金刚石颗粒增强相后，界面的设计与优化是决定复合材料是否获得优良热性能的关键因素。金刚石与铜不润湿、不反应，直接复合难以实现两者良好的界面结合，除了高温高压法外，金刚石与金属基体直接复合表现出的互不润湿，界面结合差等问题严重影响了金刚石/铜复合的实际导热性能表现。除了两者浸润能力差外，金刚石(2.3
×
10
‑6/K)与铜(16.5
×
10
‑6/K)热膨胀系数的巨大差异会在复合材料界面处引入热应力，该应力在冷却过程中表现为拉应力，若界面结合强度不足，将会增加复合材料制备和服役过程中发生界面脱粘的风险，直接威胁复合材料的性能可靠性。因此，有必要对复合材料界面进行设计。
[0005]目前，金刚石/铜复合材料的制备方法主要包含高温高压法、热压烧结法(粉末冶金法)、放电等离子烧结法和挤压铸造法。这些金刚石/铜复合材料的制备方法普遍面临致密度过低和界面结合性差的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了提高致密度和结合界面性，克服基体材料晶体缺陷，提供一种铜基金刚石散热片及其制备方法，该制备方法具有原材料制备简单、制造工艺路径简明、极易实现批量化生产、金刚石的致密度高、金刚石与铜结合良好的特点，从而使得该铜基金刚石散热片具有优异的导热性能。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种铜基金刚石散热片的制备方法，该制备方法包括：
[0008]1)将金刚石粉末采用化学镀进行表面镀铜处理，以得到镀铜金刚石粉末；
[0009]2)将镀铜金刚石粉末弥散在电电镀液中，形成电镀液胶体；
[0010]3)将铜基板联结直流电源负极作为电镀阴极、铅板联结直流电源正极作为电镀阳极，置于电镀液胶体中，构成电镀回路；
[0011]4)开启电源，沉积制备铜基金刚石散热片。
[0012]本专利技术还提供了一种铜基金刚石散热片的制备方法，该铜基金刚石散热片通过上述的方法制备而得。
[0013]在上述技术方案中，本专利技术的改进点如下：
[0014]1)首先在金刚石粉末的表面进行镀铜处理，镀铜层的形成具有以下优点：可以改善金刚石和铜基体的亲和性和浸润性，增强结合界面的结合强度。
[0015]2)在步骤4)
‑
5)中，采用电镀将金刚石粉末与铜进行结合，电镀的过程主要分为两个部分：一是铜原子不断沉积的，自由生长的铜基体向着低能量状态进行，生长的铜晶体缺陷密度非常低；二是由于金刚石表面进行了镀铜处理，和铜基体具有很好的亲和性和润湿性，且能在镀液中形成胶体悬浮存在，在搅拌的作用下，随水流与铜基板相互作用，很容易沉积在铜基板上，随着铜原子的不断累积，逐渐浸没在铜基体中，界面可以无缝隙德相结合最终使得制备的铜基金刚石散热片具有良好导热性能。
[0016]本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0017]附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0018]图1是本专利技术提供的一种铜基金刚石散热片的制备方法的一种优选实施方式中的装置图；
[0019]图2是本专利技术制得的铜基金刚石散热片的截面的微观结构图。
具体实施方式
[0020]以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0021]本专利技术提供了一种铜基金刚石散热片的制备方法，所述制备方法包括：
[0022]1)将金刚石粉末采用化学镀进行表面镀铜处理，以得到镀铜金刚石粉末；
[0023]2)将镀铜金刚石粉末弥散在电镀液中，形成电镀液胶体；
[0024]3)将铜基板联结直流电源负极作为电镀阴极、铅板联结直流电源正极作为电镀阳极，置于电镀液胶体中，构成电镀回路；
[0025]4)开启电源，沉积制备铜基金刚石散热片。
[0026]在本专利技术中，所述金刚石粉末的条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高铜基金刚石散热片的导热性能，优选地，在步骤1)中，所述金刚石粉末至少满足以下条件：平均粒度尺寸为1
‑
10μm。粒度较小时，金刚石颗粒会发生团聚；粒度较大时，金刚石颗粒会沉降，不易在电镀过程中沉积到阴极表面
[0027]在本专利技术中，所述镀铜金刚石粉末的表面沉积铜镀层的厚度可以在宽的范围内选
择，但是为了进一步提高铜基金刚石散热片的导热性能，优选地，所述镀铜金刚石粉末的表面沉积铜镀层的厚度为20
‑
40nm。
[0028]在本专利技术中，所述表面化学镀铜处理的条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高铜基金刚石散热片的导热性能，优选地，在步骤1)中所述表面化学镀铜处理包括：依次包括：化学镀、过纯水清洗2
‑
5min、钝化、过纯水清洗2
‑
5min、真空干燥；更优选地，所述化学镀的镀液含有硫酸铜3
‑
8g/L、酒石酸甲钠22
‑
28g/L、氢氧化钠5
‑
10g/L、甲醛8
‑
12g/L、稳定剂0.05
‑
0.15g/L和溶剂水，化学镀的沉积时间为10
‑
20min；进一步优选地，所述钝化中钝化液含有柠檬酸14
‑
16g/L、氨基三甲叉膦酸1.5
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜基金刚石散热片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1)将金刚石粉末采用化学镀进行表面镀铜处理，以得到镀铜金刚石粉末；2)将镀铜金刚石粉末弥散在电电镀液中，形成电镀液胶体；3)将铜基板联结直流电源负极作为电镀阴极、铅板联结直流电源正极作为电镀阳极，置于电镀液胶体中，构成电镀回路；4)开启电源，沉积制备铜基金刚石散热片。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述金刚石粉末至少满足以下条件：平均粒度尺寸为1
‑
10μm；优选地，所述镀铜金刚石粉末的表面沉积铜镀层的厚度为20
‑
40nm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述化学镀的包括：化学镀、过纯水清洗2
‑
5min、钝化、过纯水清洗2
‑
5min、真空干燥；优选地，所述化学镀的镀液含有硫酸铜3
‑
8g/L、酒石酸甲钠22
‑
28g/L、氢氧化钠5
‑
10g/L、甲醛8
‑
12g/L、稳定剂0.05
‑
0.15g/L和溶剂水，化学镀的沉积时间为10
‑
20min；优选地，所述钝化中钝化液含有柠檬酸14
‑
16g/L、氨基三甲叉膦酸1.5
‑
2.5g/L、丙烯酸铵3.0
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5.0g/L、三氮杂茂2.0
‑
4.0g/L、双氧水20
‑
24ml/L、植酸6
‑
8g/L、磷酸二氢钙5
‑
8g/L、聚乙二醇18
‑
20ml/L、氯化铈0.3
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0.5g/L、氯化镧0.3
‑
0.5g/L和溶剂水，所述钝化液pH为3.5
‑
4.5；所述钝化的浸泡时间为10
‑
20min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述弥散采用超声法，超声波频率为20
‑
50kHZ，超声时间为20
‑
40min。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，以1000mL的电镀液为基准，所述镀铜金刚石粉末的用量为0.8
‑
16g；优选地，在步骤2)中，在所述电电镀液中，各组分的浓度如下：硫酸铜80
‑
150g/L、氯化铜50
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90g/L、硫酸钠40
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70g/L、硫酸钾60
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120g/L、光亮剂5
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30g/L、湿润剂5
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20g/L、缓冲剂25
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明，李建生，鹿宪珂，赵禹，刘桐，桂凯旋，王秒，王刚，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：