一种金刚石铝-铝硅梯度材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石铝

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石铝
‑
铝硅梯度材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于热管理材料
，具体涉及一种金刚石铝
‑
铝硅梯度材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]芯片级与模块级核心电子设备不断向着尺寸小型化、结构紧凑化、功能一体化及高功率密度化方向发展，电子设备的功率越来越大，集成程度越来越高，散热问题已成为制约这些行业发展的瓶颈。目前，第一代和第二代热管理材料已经无法满足高导热要求，第三代铝硅合金的密度低、比强度高，能够很好满足核心芯片轻量化散热需求。为了更好地与核心芯片适配，达到相近的热膨胀系数，需要增加硅相的含量，但是较高硅含量的合金坯料在实际生产过程中制备难度急剧增大，并且材料的力学性能、机械加工性能将大幅下降。
[0003]因此，单一的铝硅合金已经不能满足日益增长的散热需求，而金刚石/铝复合材料作为第四代电子器件热管理材料在电子封装领域应用广泛，由于金属铝具有密度低、热导率高等优点，金刚石是目前使用最为广泛的颗粒増强相，导热系数高达1200
‑
2200W/(m
·
K)，热膨胀系数低至1.2
×
10
‑6K
‑1，其制备工艺日渐成熟，成本逐渐降低，将金刚石/铝复合，可以发挥各自的优势，制备出导热系数高、线膨胀系数低的高效轻质散热材料，满足高功率芯片散热的要求。
[0004]但是封装壳体不同功能区域对于性能有差异性要求，壳体底部作为芯片承载区要求具有高的热导率和与芯片相匹配的热膨胀系数，壳体顶部为保证与封装盖板连接需要使用可激光封焊的铝硅合金；此外，金刚石铝复合材料的热膨胀系数较低，硅含量低的铝硅合金热膨胀系数大但焊接性较好，金刚石铝和硅含量较低的铝硅合金复合时容易因为热膨胀系数相差大导致界面结合处产生开裂；而高硅含量的铝硅合金焊接性较差但热膨胀系数小；因此有必要结合金刚石铝复合材料和低硅含量铝硅合金及高硅含量铝硅合金三者的优势，创新新型多层梯度散热材料。为此要解决核心芯片在超高热流密度下寿命降低及金刚石/铝复合材料机械加工困难、激光封焊性差的问题，亟需结合金刚石/铝复合材料与铝硅合金的优势，研发新一代金刚石铝
‑
铝硅梯度材料。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了解决上述问题，本专利技术提供了一种金刚石铝
‑
铝硅梯度材料及其制备方法。
[0006]技术方案：一种制备金刚石铝
‑
铝硅梯度材料的方法，包括以下步骤：
[0007]将金刚石粉末与铝粉进行机械混合并得到混合粉末；按体积百分比计，所述混合粉末中金刚石粉末体积分数在30～80％，其余为铝粉；
[0008]将两种不同硅含量的铝硅壳体装配于模具中，定义两种铝硅壳体分别为第一铝硅壳体、第二铝硅壳体；按重量百分比计，第一铝硅壳体中的硅含量为50％～70％，第二铝硅壳体中的硅含量为30％～50％；
[0009]将第一铝硅壳体装配于模具内，第一铝硅壳体与模具之间构成空腔，且第一铝硅壳体与模具的配合上设置浇口；第二铝硅壳体置于第一铝硅壳体上；
[0010]取所述混合粉末100～200g将其从浇口处装入第一铝硅壳体与模具之间的空腔内，并对载有混合粉末及两种铝硅壳体的模具进行振动；
[0011]对载有混合粉末及两种铝硅壳体的模具放至扩散焊烧结炉进行烧结；烧结完毕后，脱模得到金刚石铝
‑
铝硅梯度材料。
[0012]在进一步的实施例中，所述机械混合包括以下流程：将金刚石粉末与铝粉放入球磨罐内，为杜绝铝粉发生氧化，对球磨罐进行抽真空，真空度低于10
‑2Pa，将球磨罐装入行星式球磨机中进行混合；其中，球磨机的球磨参数为：球磨转速200～300r/min，球磨时间2～4h。
[0013]在进一步的实施例中，金刚石粉末粒径为30～300μm，铝粉粒径为10～50μm。
[0014]在进一步的实施例中，进行烧结的烧结参数为：烧结温度600℃～850℃，升温速率5～15℃/min，保温时间20～120min，加载压力5～15MPa；
[0015]在进一步的实施例中，还包括以下步骤：在金刚石粉末与铝粉混合前，在金刚石粉末颗粒表面镀覆金属层，所述金属层中金属元素包括Ti、W、Mo、Cr、Zr其中的一种或多种，所述金属层厚度在50～300nm之间。
[0016]在进一步的实施例中，进行振动的振动参数为：振动频率10～100Hz，振动时间10～30min。
[0017]在进一步的实施例中，当扩散焊烧结炉内的真空度小于10
‑1～10
‑4Pa时，炉内开始加热升温。
[0018]在进一步的实施例中，还包括：对脱模得到的金刚石铝
‑
铝硅梯度材料进行机加工得到预定形状的封装壳体。
[0019]在另一个技术方案中，提供了一种金刚石铝
‑
铝硅梯度材料，由上述的一种制备金刚石铝
‑
铝硅梯度材料的方法制得。
[0020]有益效果：
[0021](1)本专利技术基于扩散焊接实现金刚石铝
‑
铝硅梯度材料的制备，扩散连接具有连接质量可靠、变形小等特点，在实现微结构零部件连接方面具有独特优势；由于扩散连接是一种非熔化的固态连接方式，且扩散焊接温度较Al
‑
50Si和Al
‑
70Si的熔点要低得多，因此在材料成形过程中铝硅合金不会发生融化，高温下仍具有一定的强度和硬度，这使得高温下铝硅模具不会发生变形且金刚石粉末不会在压力的作用下被压入铝硅模具中，可以很好的保证铝金刚石和铝硅的相对位置，从而便于机加工定位。
[0022](2)扩散焊接过程中待焊接表面发生微观塑性变形，焊接表面的铝原子在温度、压力和一定保温时间作用下向铝硅合金中发生扩散从而实现焊接表面的连接。
[0023](3)本专利技术在实现金刚石颗粒与铝粉烧结成形的同时，也实现金刚石/铝复合材料与铝硅材料的扩散焊接，从而获得刚石铝
‑
铝硅梯度材料以满足芯片高热流密度的散热要求；该制备方法具有成形效率高、成形成本低、成形工艺简单等特点。
[0024](4)本专利技术通过在装粉过程中对模具施加超声振动一方面能够提高粉末体积装载量，从而提高金刚石在材料中的体积分数达到提高材料热导率、降低热膨胀系数的目的；另一方面通过施加超声振动能够促进金刚石粉末在混合粉料中的弥散均匀性，避免铝粉在局
部位置发生偏析团聚现象，从而达到材料各区域性能一致性的目的。
[0025](5)本专利技术通过在金刚石铝复合材料表面覆两层铝硅合金，第一层铝硅合金具有热膨胀系数与金刚石铝的热膨胀系数相差小的特点，能够避免因热膨胀系数差异大导致的界面开裂问题，第二层铝硅合金具有焊接性能好的特点，能够满足封装壳体的激光封焊等要求。
[0026](6)本专利技术制备的金刚石铝
‑
铝硅梯度材料即具有金刚石铝的高导热、低膨胀的特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备金刚石铝
‑
铝硅梯度材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：将金刚石粉末与铝粉进行机械混合并得到混合粉末；按体积百分比计，所述混合粉末中金刚石粉末体积分数在30～80％，其余为铝粉；将两种不同硅含量的铝硅壳体装配于模具中，定义两种铝硅壳体分别为第一铝硅壳体、第二铝硅壳体；按重量百分比计，第一铝硅壳体中的硅含量为50％～70％，第二铝硅壳体中的硅含量为30％～50％；将第一铝硅壳体装配于模具内，第一铝硅壳体与模具之间构成空腔，且第一铝硅壳体与模具的配合上设置浇口；第二铝硅壳体置于第一铝硅壳体上；取所述混合粉末100～200g将其从浇口处装入第一铝硅壳体与模具之间的空腔内，并对载有混合粉末及两种铝硅壳体的模具进行振动；对载有混合粉末及两种铝硅壳体的模具放至扩散焊烧结炉进行烧结；烧结完毕后，脱模得到金刚石铝
‑
铝硅梯度材料。2.如权利要求1所述的一种制备金刚石铝
‑
铝硅梯度材料的方法，其特征在于，所述机械混合包括以下流程：将金刚石粉末与铝粉放入球磨罐内，对球磨罐进行抽真空，真空度低于10
‑2Pa，将球磨罐装入行星式球磨机中进行混合；其中，球磨机的球磨参数为：球磨转速200～300r/min，球磨时间2～4h。3.如权利要求1所述的一种制备金刚石铝
‑
铝硅梯度材料的方法，其特征在于，金刚石粉末粒径为30～300μm，铝粉粒径为10～50μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长瑞，郑玮巍，陈阳，
申请(专利权)人：南京瑞为新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：