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一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法

阅读：886发布：2024-01-01

专利汇可以提供一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，属于热管理材料制备技术领域。首先采用金属封装材料粉末制备金属粉末预制件，在预制件中埋入高导热碳材料；然后将预制件装入石墨模具中，熔炼同种金属封装材料，挤压铸造入预制件中；冷却，脱模后制得具有复合式结构的高定向导热材料。本发明将材料制备和界面改性在同一工艺步骤中完成，即改进了原有工艺中存在的高导热材料与密封金属材料之间机械接触，减少热阻，同时减少工艺环节。该材料可以广泛应用在需要局部高效散热的于微电子封装、激光二极管、IGBT和半导体、散热片和盖板。，下面是一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，包括如下步骤：
1)采用金属封装材料粉末制备金属粉末预制件，在预制件中埋入高导热碳材料；
2)将预制件装入石墨模具中，熔炼同种金属封装材料，挤压铸造入预制件中；
3)冷却，脱模后制得具有复合式结构的高定向导热材料。
2.根据权利要求1所述的具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，其特征在于：所述的金属封装材料包括铝、铜、铝合金和铜合金。
3.根据权利要求1所述的具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，其特征在于：所述的金属封装材料粉末的粒度为100-200μm。
4.根据权利要求1所述的具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，其特征在于：所述的高导热碳材料包括高定向热解石墨、压应力热处理热解石墨、退火热解石墨和高导热石墨。
5.根据权利要求1所述的具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，其特征在于：所述的金属粉末预制件的制备方法为粉末冶金法。
6.根据权利要求1所述的具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，其特征在于：所述的挤压铸造的压力为5-10MPa，保压时间为3-10min。

说明书全文

一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，属于热管理材料制备技术领域。

背景技术

[0002] 目前集成电路元件向高功率及小型化发展，其密度越来越大，继续探索更高导热的新型封装材料。目前比金刚石/铜(铝)复合材料热导率高的材料为碳材料，其中高定向石墨材料是以炭氢气体为原料，在2000℃以上的高温下，石墨基体上经化学气相沉积出的具有较高结晶取向的炭素材料。它是典型的层状结构，炭原子组成的六角层面上显出高度的有序性。热解石墨具有高密度(2.255-2.265g/cm3)、高纯度(杂质含量<0.002％)、x-y方向的热导率为1350-1700W/mK，z轴方向为10-30W/mK。高定向导热碳材料虽然热性能优异，但是自支撑能力差，难以直接用于热沉材料，限制了材料的产业化应用。如果将其置于某基体内，通过基体的支撑来解决力学性能差的缺点，同时充分发挥碳材料优异的热性能。

[0003] 在金属基复合材料中置入高导热材料的研究曾有报道，CPS公司在热电冷却器的激光二极管封装基板中预埋TPG片，厚度0.38毫米，2005年DS&A LLC在SiC/Al复合材料嵌入超高导热的高定向热解石墨片及金刚石栓的复合基板，散热效果有很大提高。由于以上两家研究单位均是采用了颗粒增强体预制件-液态压铸的工艺，镶嵌较容易实现。而如果在传统的封装材料如铜、铝等金属封装材料中置入高导热材料大多通过机加工出放置高导热材料的凹槽，置入高导热材料，加盖封存，然后整体热压焊合。USP5296310就提到了前面说到的制备工艺，但是对界面的改进未做任何改进，界面处仅为机械接触，在冷热循环的过程中高导热材料与密封金属材料之间滑动接触。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，在金属封装材料镶嵌碳材料，同时改善界面结合的制备工艺。

[0005] 一种具有复合式结构的高定向导热材料的制备方法，包括如下工艺步骤：

[0006] 1)采用金属封装材料粉末制备金属粉末预制件，在预制件中埋入高导热碳材料；

[0007] 2)将步骤1)中制得的预制件装入石墨模具中，熔炼同种金属封装材料，挤压铸造入预制件中；

[0008] 3)冷却，脱模后制得具有复合式结构的高定向导热材料。

[0009] 步骤1)中，所述的金属封装材料包括铝、铜、铝合金和铜合金等。所用的金属封装材料粉末为现有市售产品或由各种现有方法制得。金属封装材料粉末的粒度为100-200μm。

[0010] 所述高导热碳材料包括HOPG(高定向热解石墨)、CAPG(压应力热处理热解石墨)、APG(退火热解石墨)和TPG(高导热石墨)等。金属粉末预制件的制备方法可选择现有方法，如粉末冶金法。

[0011] 步骤2)中，挤压铸造的温度及压力等工艺参数取决于金属封装材料的熔点，如可选择挤压铸造的压力为5-10MPa，保压时间为3-10min。

[0012] 本发明的优点：

[0013] 本发明先将高导热材料采用现有工艺预埋在金属粉的预制件中，然后在预制件中挤压铸造熔融的同种金属液，制备得到一个具有复合式结构的高定向导热材料。本发明将材料制备和界面改性在同一工艺步骤中完成，既改进了原有工艺中存在的高导热材料与密封金属材料之间机械接触，减少热阻，有效改善高导热材料与封装材料界面结合，又同时减少工艺环节。

[0014] 本发明制备的材料可以广泛应用在需要局部高效散热的微电子封装、激光二极管、IGBT和半导体、散热片和盖板。附图说明

[0015] 图1为具有复合式结构的高定向导热材料结构图，左侧为示意图，右侧为实物图。

[0016] 图2为具有复合式结构的高定向导热材料制备方法流程图。

[0017] 主要附图标记说明：

[0018] 1 高导热碳材料 2 金属封装材料

具体实施方式

[0019] 如图1所示，为具有复合式结构的定向导热材料，左侧为示意图，右侧为实物图，由金属封装材料2和密封其中的高导热碳材料1构成。金属封装材料2可选择已知的封装金属材料，如Al、Cu及其合金等。高导热碳材料1可选择带有金属镀层的HOPG、CAPG、APG、TPG。

[0020] 如图2所示，为本发明的工艺流程：选择金属封装材料粉末；制备预埋高导热碳材料的金属粉末预制件；熔融金属封装材料，用熔融的金属封装材料熔液挤压铸造预制件；冷却，脱模。

[0021] 本发明具有复合式结构的高定向导热材料由金属封装材料和密封在封装材料中的高导热碳材料组成。首先采用金属封装材料的粉末制备预埋碳材料的预制件，然后采用挤压铸造的方法熔渗同种封装材料，制备具有复合式结构的高定向导热材料。本发明将材料制备和界面改性在同一工艺步骤中完成，即改进了原有工艺中存在的高导热材料与密封金属材料之间机械接触，减少热阻，同时减少工艺环节。

[0022] 实施例1

[0023] 按照图2所示的流程，采用100μm的铝粉采用粉末冶金法制备预制件，在制备过程中预埋1mm厚的HOPG；将预制件装入石墨模具中，熔炼铝，熔炼温度750℃；9MPa下压力浸渗Al，保压5min，将铝挤压铸造入预制件中；冷却脱模后得到复合式结构的高定向导热的材料，该复合材料厚度3mm，材料的x-y轴热导率为800W/mK。

[0024] 实施例2

[0025] 按照图2所示的流程，采用150μm的铜粉采用粉末冶金法制备预制件，在制备过程中预埋2.5mm厚的HOPG；将预制件装入石墨模具中，熔炼铜，熔炼温度1280℃；9MPa下压力浸渗Cu，保压5min，将铜挤压铸造入预制件中；冷却脱模后得到复合式结构的高定向导热的材料，该材料厚度3mm，材料的x-y轴热导率为1100W/mK。

[0026] 实施例3

[0027] 按照图2所示的流程，采用150μm的铜铬合金粉采用粉末冶金法制备预制件，在制备过程中预埋2.5mm厚的TPG；将预制件装入石墨模具中，熔炼铜铬合金，熔炼温度1340℃；5MPa下压力浸渗铜铬合金熔液，保压5min，将铜铬合金挤压铸造入预制件中；冷却脱模后得到复合式结构的高定向导热的材料，该材料厚度3mm，材料的x-y轴热导率为
1060W/mK。

[0028] 由此可见，本发明在减少工艺环节情况下，有效改善高导热材料与封装材料界面结合，复合式结果的定向导热材料的热导率未降低。此类材料可以广泛应用在需要局部高效散热的于微电子封装、激光二极管、IGBT和半导体、散热片和盖板。

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