一种金刚石增强铜基材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及高导热铜合金材料技术领域，尤其涉及一种金刚石增强铜基材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.金刚石增强铜基材料是高导热铜合金材料的一种，因为具有优良热物理性能和适宜的力学性能，是理想的电子封装材料，广泛应用于大规模集成电路和cpu的封装材料、大功率行波管结构功能一体化散热部件及大功率天线散热基板等。
3.目前金刚石增强铜基材料的制备方法包括有压辅助熔渗法和放电等离子烧结法。有压辅助熔渗法易使金刚石晶体产生缺陷，降低材料的热导率；采用放电等离子烧结法制备的铜基材料致密度低，进而导致热导率低。


技术实现要素：

4.针对以上问题，本发明的目的在于提供一种金刚石增强铜基材料及其制备方法和应用，本发明制得的金刚石增强铜基材料致密度高，有效提高了材料的热导率。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种金刚石增强铜基材料的制备方法，包括以下步骤：
7.将表面镀铜金刚石粉与气雾化球形电解铜粉混合干燥后，在铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，然后将铜基板切除，得到金刚石增强铜基材料；
8.所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5％～80％。
9.优选的，所述表面镀铜金刚石粉的粒径为10～60μm，镀铜量为表面镀铜金刚石粉的10～20wt％。
10.优选的，所述气雾化球形电解铜粉的粒径为5～60μm，纯度≥99.9％，氧含量≤600ppm。
11.优选的，所述气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比为75～95：25～5。
12.优选的，所述冷喷涂用工作气体为氮气，工作气体的温度为450～600℃，工作气体的压力为3～6mpa。
13.优选的，所述氮气的纯度为99.9％～99.99％。
14.优选的，所述冷喷涂用喷枪的枪口与铜基板的垂直距离为20～30mm，喷枪的移动速度为10～30mm/s。
15.优选的，所述切除包括线切割。
16.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的金刚石增强铜基材料，所述金刚石增强铜基材料的平均厚度为0.8～15mm；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5％～80％。
17.本发明还提供了上述技术方案所述的金刚石增强铜基材料在电子封装领域中的应用。
18.本发明提供了一种金刚石增强铜基材料的制备方法，包括以下步骤：将表面镀铜金刚石粉与气雾化球形电解铜粉混合干燥后，在铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，然后将铜基板切除，得到金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5％～80％。在本发明中，所述表面镀铜金刚石粉能够显著提高纯金刚石在铜基板表面的沉积效率；通过添加气雾化球形电解铜粉可调控铜和金刚石比例，以获得合适的成分配比，增加材料的热导率；同时表面镀铜金刚石粉不是球形，沉积效率不高，而气雾化球形电解铜粉的添加有利于提高表面镀铜金刚石粉的沉积率，从而获得高致密度和高热导率的金刚石增强铜基材料。
19.本发明通过采用冷喷涂工艺，喷涂粉末以固态沉积，无氧化、相变等变化，从而降低金刚石的石墨化程度，提高涂层中金刚石的含量；该工艺通过控制原料的粒径、工作气体的压力及喷枪枪口与铜基板的垂直距离等工艺参数，进而控制金刚石增强铜基材料与铜基板之间的结合强度，最终能够方便地切除铜基板；该工艺可使金刚石增强铜基材料的厚度及形状可控，生产效率高，可直接快速制备出不同形状的金刚石增强铜基材料。
附图说明
20.图1为实施例采用的气雾化球形电解铜粉的形貌图；
21.图2为实施例采用的表面镀铜金刚石粉的形貌图；
22.图3为实施例1制备得到的金刚石增强铜基材料截面的形貌图。
具体实施方式
23.本发明提供了一种金刚石增强铜基材料的制备方法，包括以下步骤：
24.将表面镀铜金刚石粉与气雾化球形电解铜粉混合干燥后，在铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，然后将铜基板切除，得到金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5％～80％。
25.在本发明中，若无特殊说明，所述各物质均为本领域技术人员熟知的市售商品。
26.本发明将表面镀铜金刚石粉与气雾化球形电解铜粉混合干燥后，在铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层。在本发明中，所述表面镀铜金刚石粉的粒径优选为10～60μm，更优选为20～40μm，镀铜量优选为表面镀铜金刚石粉的10～20wt％，更优选为15～18wt％；所述气雾化球形电解铜粉的粒径优选为5～60μm，更优选为20～30μm，纯度优选大于等于99.9％，氧含量优选小于等于600ppm；所述气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比优选为75～95：25～5，更优选为80～90：20～10；本发明对所述混合的方式无特殊要求，混合均匀即可；所述干燥优选为真空干燥，在本发明的具体实施例中，优选采用真空干燥箱干燥；所述干燥的温度优选为80～100℃，更优选为90℃，时间优选为1～5h，更优选为1h。
27.在本发明中，所述铜基板优选包括铜合金基板，更优选为紫铜基板；本发明对所述铜基板的尺寸无特殊要求，选择本领域技术人员常用的尺寸即可；在本发明的具体实施例中，所述铜基板的长宽高优选为80
×
30
×
3mm或200
×
50
×
5mm；所述冷喷涂前，还优选包括
对所述铜基板进行表面打磨或喷砂处理，然后清洗至表面无杂质；所述表面打磨优选为先将铜基板进行磨光，然后进行抛光处理至表面无明显划痕；所述磨光用砂纸的目数优选为36～5000目；所述抛光用抛光剂优选为金刚石喷雾抛光剂；所述清洗优选为依次用丙酮和酒精清洗至表面无杂质。
28.在本发明中，所述冷喷涂工艺的设备优选包括冷喷涂用喷枪及送粉设备；所述冷喷涂用工作气体和送粉设备用送粉气体均优选为氮气；所述氮气的纯度优选为99.9％～99.99％；所述工作气体的温度优选为450～600℃，更优选为500℃，工作气体的压力优选为3～6mpa，更优选为6mpa；所述送粉气体的压力优选为2～4mpa，更优选为2～3mpa；所述冷喷涂用喷枪的枪口与铜基板的垂直距离优选为20～30mm，喷枪的移动速度优选为10～30mm/s，更优选为20mm/s；本发明的具体实施例中，所述冷喷涂用喷枪的型号优选为pcs-1000l，所述送粉设备优选为pog系列高压体积式送粉机，型号优选为pog-2030。本发明通过控制冷喷涂和送粉设备的工艺参数，能够有效提高产品的沉积率和孔隙率。
29.在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层后，本发明将铜基板切除，得到金刚石增强铜基材料。在本发明中，所述切除的方式优选为线切割；本发明对所述线切割的方式无特殊要求，选择本领域技术人员熟知的方式即可；线切割完成后，本发明还优选包括对所述金刚石增强铜基材料进行清洗；所述清洗优选为先用丙酮溶液清洗金刚石增强铜基表面的杂质，再用酒精清洗。
30.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的金刚石增强铜基材料，所述金刚石增强铜基材料的平均厚度为0.8～15mm，优选为0.8～10mm；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5％～80％；所述金刚石增强铜基材料的孔隙率优选为99.0％。
31.本发明还提供了上述技术方案所述的金刚石增强铜基材料在电子封装领域中的应用；本发明对所述应用的方式无特殊要求，选择本领域技术人员熟知的方式即可。
32.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种金刚石增强铜基材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
33.本发明实施例中使用的气雾化球形电解铜粉的纯度≥99.9％，氧含量≤600ppm，其形貌如图1所示，可以看出：气雾化球形电解铜粉的球形度很高，近似球形；实施例中使用的表面镀铜金刚石粉的镀铜量为20wt％，其形貌如图2所示，可以看出，表面镀铜金刚石粉的形状类似石子，无规则形貌。
34.本发明实施例中使用的冷喷涂用喷枪的型号为pcs-1000l，送气设备为pog系列高压体积式送粉机，型号为pog-2030，工作气体和送粉气体均为氮气，纯度为99.9％。
35.实施例1
36.将尺寸(长宽高)为80
×
30
×
3mm的紫铜基板依次经过36目、240目、400目、800目、1200目、2000目、3000目和5000目砂纸磨光，用0.5μm金刚石喷雾抛光剂抛光处理至表面无明显划痕，采用丙酮及酒精对表面处理后的紫铜基板进行清洗至表面无杂质；
37.按照气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比为80：20的比例，将粒度范围5～60μm的气雾化球形电解铜粉和粒度范围为10～60μm表面镀铜金刚石粉混合均匀后，在90℃真空干燥箱中真空干燥1h，得到混合粉末；
38.将混合粉末在表面处理后的铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强
铜基材料层，其中工作气体的压力为3mpa，送粉气体的压力为2mpa，工作气体的温度为550℃，喷枪的枪口与紫铜基板的垂直距离为20mm，喷枪的移动速度为20mm/s；
39.对涂有金刚石增强铜基材料层的紫铜基板通过线切割切除紫铜基板，得到金刚石增强铜基层，先用丙酮溶液清洗金刚石增强铜基层表面的杂质，再用酒精清洗，得到平均厚度为1.5mm的金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5.8％。
40.图3为实施例1制备得到的金刚石增强铜基材料截面的形貌图，根据图3可知，采用冷喷涂制备的金刚石增强铜基材料孔隙率低，致密度高。
41.实施例2
42.将尺寸(长宽高)为80
×
30
×
3mm的紫铜基板依次经过36目、240目、400目、800目、1200目、2000目、3000目和5000目砂纸磨光，用0.5μm金刚石抛光剂抛光处理至表面无明显划痕，采用丙酮及酒精对表面处理后的紫铜基板进行清洗至表面无杂质；
43.按照气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比为90：10的比例，将粒度范围5～30μm的气雾化球形电解铜粉和粒度范围为10～30μm表面镀铜金刚石粉混合均匀后，在90℃真空干燥箱中真空干燥1h，得到混合粉末；
44.将混合粉末在表面处理后的铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，其中工作气体的压力为3mpa，送粉气体的压力为2mpa，工作气体的温度为450℃，喷枪的枪口与紫铜基板的垂直距离为20mm，喷枪的移动速度为20mm/s；
45.对涂有金刚石增强铜基材料层的紫铜基板通过线切割切除紫铜基板，得到金刚石增强铜基层，先用丙酮溶液清洗金刚石增强铜基层表面的杂质，再用酒精清洗，得到平均厚度为0.8mm的金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为10.7％。
46.实施例3
47.将尺寸(长宽高)为200
×
50
×
5mm的紫铜基板依次经过36目、240目、400目、800目、1200目、2000目、3000目和5000目砂纸磨光，用0.5μm金刚石抛光剂抛光处理至表面无明显划痕，采用丙酮及酒精对表面处理后的紫铜基板进行清洗至表面无杂质；
48.按照气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比为95：5的比例，将粒度范围5～30μm的气雾化球形电解铜粉和粒度范围为10～30μm表面镀铜金刚石粉混合均匀后，在90℃真空干燥箱中真空干燥1h，得到混合粉末；
49.将混合粉末在表面处理后的铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，其中工作气体的压力为4mpa，送粉气体的压力为3mpa，工作气体的温度为500℃，喷枪的枪口与紫铜基板的垂直距离为20mm，喷枪的移动速度为20mm/s；
50.对涂有金刚石增强铜基材料层的紫铜基板通过线切割切除紫铜基板，得到金刚石增强铜基层，先用丙酮溶液清洗金刚石增强铜基层表面的杂质，再用酒精清洗，得到平均厚度为3mm的金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为15.9％。
51.实施例4
52.将尺寸(长宽高)为200
×
50
×
5mm的紫铜基板依次经过36目、240目、400目、800目、1200目、2000目、3000目和5000目砂纸磨光，用0.5μm金刚石抛光剂抛光处理至表面无明显
划痕，采用丙酮及酒精对表面处理后的紫铜基板进行清洗至表面无杂质；
53.按照气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比为85：15的比例，将粒度范围30～60μm的气雾化球形电解铜粉和粒度范围为30～60μm表面镀铜金刚石粉混合均匀后，在90℃真空干燥箱中真空干燥1h，得到混合粉末；
54.将混合粉末在表面处理后的铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，其中工作气体的压力为5mpa，送粉气体的压力为3mpa，工作气体的温度为500℃，喷枪的枪口与紫铜基板的垂直距离为25mm，喷枪的移动速度为20mm/s；
55.对涂有金刚石增强铜基材料层的紫铜基板通过线切割切除紫铜基板，得到金刚石增强铜基层，先用丙酮溶液清洗金刚石增强铜基层表面的杂质，再用酒精清洗，得到平均厚度为5mm的金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为15.5％。
56.实施例5
57.将尺寸(长宽高)为200
×
50
×
5mm的紫铜基板依次经过36目、240目、400目、800目、1200目、2000目、3000目和5000目砂纸磨光，用0.5μm金刚石抛光剂抛光处理至表面无明显划痕，采用丙酮及酒精对表面处理后的紫铜基板进行清洗至表面无杂质；
58.按照气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比为75：25的比例，将粒度范围20～60μm的气雾化球形电解铜粉和粒度范围为20～60μm表面镀铜金刚石粉混合均匀后，在90℃真空干燥箱中真空干燥1h，得到混合粉末；
59.将混合粉末在表面处理后的铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，其中工作气体的压力为5mpa，送粉气体的压力为3mpa，工作气体的温度为600℃，喷枪的枪口与紫铜基板的垂直距离为25mm，喷枪的移动速度为20mm/s；
60.对涂有金刚石增强铜基材料层的紫铜基板通过线切割切除紫铜基板，得到金刚石增强铜基层，先用丙酮溶液清洗金刚石增强铜基层表面的杂质，再用酒精清洗，得到平均厚度为10mm的金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为23.3％。
61.对金刚石增强铜基材料孔隙率的测试
62.采用imagej软件对sem组织图片中空隙进行标记，计算面积分数，得到金刚石增强铜基材料孔隙率；实施例1～5的孔隙率具体见表1：
63.表1实施例1～5制备得到的金刚石增强铜基材料的孔隙率
64.实施例实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5孔隙率99.3％99.2％99.2％99.4％99.0％
65.由表1可知，本发明实施例制备得到的孔隙率均小于1％，孔隙率低，致密度高，可有效提高材料的热导率。
66.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种金刚石增强铜基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将表面镀铜金刚石粉与气雾化球形电解铜粉混合干燥后，在铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，然后将铜基板切除，得到金刚石增强铜基材料；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5％～80％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面镀铜金刚石粉的粒径为10～60μm，镀铜量为表面镀铜金刚石粉的10～20wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述气雾化球形电解铜粉的粒径为5～60μm，纯度≥99.9％，氧含量≤600ppm。4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述气雾化球形电解铜粉与表面镀铜金刚石粉的质量比为75～95：25～5。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷喷涂用工作气体为氮气，工作气体的温度为450～600℃，工作气体的压力为3～6mpa。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述氮气的纯度为99.9％～99.99％。7.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述冷喷涂用喷枪的枪口与铜基板的垂直距离为20～30mm，喷枪的移动速度为10～30mm/s。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述切除包括线切割。9.权利要求1～8任一项所述制备方法制得的金刚石增强铜基材料，所述金刚石增强铜基材料的平均厚度为0.8～15mm；所述金刚石增强铜基材料中表面镀铜金刚石粉的质量占比为5％～80％。10.权利要求9所述的金刚石增强铜基材料在电子封装领域中的应用。

技术总结
本发明涉及高导热铜合金材料技术领域，提供了一种金刚石增强铜基材料及其制备方法和应用。本发明将表面镀铜金刚石粉与气雾化球形电解铜粉混合干燥后，在铜基板上进行冷喷涂，在铜基板表面得到金刚石增强铜基材料层，然后将铜基板切除，得到金刚石增强铜基材料。本发明采用表面镀铜金刚石粉为原料，表面镀铜的金刚石粉能够显著提高纯金刚石在铜基板表面的沉积效率；通过添加气雾化球形电解铜粉可调控铜和金刚石比例，以获得合适的成分配比，增加材料的热导率，同时表面镀铜金刚石粉不是球形，沉积效率不高，气雾化球形电解铜粉的添加有利于提高表面镀铜金刚石粉的沉积率，从而获得高致密度和高热导率的金刚石增强铜基材料。得高致密度和高热导率的金刚石增强铜基材料。得高致密度和高热导率的金刚石增强铜基材料。


技术研发人员：吴丹 陈文夫 邹晋 胡强 张林伟 刘琦 刘秋香 刘觐 曾延琦
受保护的技术使用者：江西省科学院应用物理研究所
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/16