技术领域
[0001] 本
发明属于高性能
电子封装功能材料领域，特别是提供了一种超高导热三维金刚石增强
金属基复合材料及其制备方法。
[0002] 背景
[0003] 通讯卫星用高功率
密度器件，
核聚变装置用面对
等离子体材料在运行过程中会产生和积累大量的热量，为保证设备的稳定运行，需要将产生的热量及时导出，因而对材料的热传导性能提出了很高的要求。航天
飞行器的许多电子部件需要在40～60℃的环境
温度下正常工作，因此仪器运行过程中产生的热量必须及时导出。芯片集成度和封装密度的提高带来的一个首要问题就是器件单位功率不断提高，发热量不断增大，使得器件的工作环境恶化。降低芯片温度可有很多方法,如：冷冻法、
水循环冷却、微型
风扇
散热等，但这些都不能从根本上解决散热问题。提高封装材料的导热性能，是解决这一问题的根本措施。传统的
微波功率器件的
外壳和散热
基板均为可伐
合金或W-Cu合金，其中W-Cu合金的热导率较高,为231W/m·k，密度为14.989/cm3。一方面，该类材料的密度较大，增加了器件的重量，同时热导率已不能满足大功率微波器件对材料热性能的要求。开发一种高导热、低密度的新
型材料已成为迫切需要解决的问题，此材料须具有高的热导率，保证及时有效的将热导出，且符合现代电子封装材料轻量化的发展趋势。
[0004] 金刚石颗粒增强金属基(如金刚石/
铝、金刚石/
铜、金刚石/
银等)复合材料以其低膨胀、高导热等特性在电子封装领域有着广泛的应用前景。近年来国内外关于金刚石颗粒增强金属基复合材料的报道逐渐增加。在金刚石颗粒增强金属基复合材料的研究过程中，人们发现复合材料的组织结构对其热物理性能存在很大的影响。这些组织结构有界面、位错、孪晶以及孔洞等，其中界面的影响尤为突出。金属基复合材料由基体金属和增强体两部分构成，改变或调整基体成分将在以下两个方面影响材料的性能：首先表现在对基体材料本身热物性的影响，其次则表现为对基体与增强体界面结合状况的影响。界面的存在会产生界面热阻(Thermal resistant of interfaces)，阻碍热量的传输，从而界面越多越不利于热量的传输，表现为材料的热传导率下降。因此减少复合材料中的界面将大大有利于热量的传输，使热导率得到提高。
[0005] 由此可见，如金刚石颗粒增强铝基复合材料而言，由于界面热阻的存在，其热物理性能 尤其是热传导性能必将受到很大的影响。从理论上来讲，金刚石颗粒增强金属基复合材料的热导率存在一个最大极限值。这势必会制约金刚石颗粒增强金属基复合材料的进一步地研制开发。如何开发出具有较少界面且各向同性的金刚石/金属基复合材料，将会成为研究的趋势。
[0006] 金刚石在电子封装领域的应用最早是通过CVD金刚石自
支撑厚膜来实现的，由于要求较大的厚度，大大提升了使用成本。
化学气相沉积技术可在复杂形状的衬底表面制备连续致密的高
质量金刚石膜，可使金刚石晶粒间形成连续的导热通道，因此有部分学者一直在探索利用CVD法来制备金刚石膜/铜复合材料。
[0007] 本
发明人课题组前期的发明
专利CN102244051A公开了一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法：1)将CVD金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，并通过
挤压使铜基体发生塑性
变形，从而使铜与金刚石棒完全
接触耦合；2)将CVD金刚石棒插入铜基体的柱状通孔中，再通过
电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向沉积铜，使铜完全包覆金刚石棒，与金刚石完全接触耦合。该法制备的铜基金刚石复合材料具有较好的定向导热性能，但由于其金刚石棒与基体金属之间
润湿性极差，两相界面结合不紧密，在金刚石棒与基体金属之间的界面处形成了很大的热阻，其热导率还有待更进一步优化。
发明内容
[0008] 本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能实现超高导热的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料。
[0009] 本发明所要解决的第二个技术问题提供一种实现该超高导热三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法。
[0010] 为解决上述第一个技术问题，本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，所述的复合材料包括三维网络金刚石骨架、基体金属，所述三维网络金刚石骨架与基体金属为
冶金结合。
[0011] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，所述的三维网络金刚石骨架中包括金属三维网络骨架衬底，所述衬底材料选自铜、钼、
钛、钨、金、银中的至少一种或至少含其中一种金属的合金；所述的金属三维网络骨架衬底采用
机械加工方法制备或采用金属线编织而成。
[0012] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，三维网络金刚石骨架中2
的网孔形状选自圆形、椭圆形、多边形中的至少一种；每个网孔面积为0.01～100mm；所述的三维网络金刚石骨架中的网孔均匀分布或随机分布。
[0013] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，三维网络金刚石骨架中的金刚 石表面经过改性处理；所述的金刚石表面改性处理是在三维网络金刚石骨架表面
覆盖有与金刚石及基体金属润湿性好的复合膜层，复合膜层的作用在于改善金刚石与基体金属之间的湿润性，因此，相邻膜层之间应该选择湿润性较好的膜层材料；所述复合膜层包括Mo/Ni/Cu膜、W/Ni/Cu膜两种体系；所述Mo/Ni/Cu复合膜层中Mo膜厚度为20～50nm，Ni膜厚度为50～100nm，Cu膜厚度为3～10μm；所述W/Ni/Cu复合膜层中W膜厚度为10～30nm，Ni膜厚度为30～50nm，Cu膜厚度为5～10μm。
[0014] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，在所述的金属基体中还分布有金刚石颗粒，金刚石颗粒粒度为1～200μm；所述的金刚石颗粒与金属基体为冶金结合；所述金刚石颗粒经过表面改性处理；所述的表面改性处理是在金刚石颗粒表面
镀覆金属膜层；所述金属膜层为与金刚石润湿性好的金属
薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜；或
[0015] 所述金属膜层为复合膜，所述复合膜由底层与
面层组成，所述底层为与金刚石润湿性好的金属薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜；所述面层为金属膜，根据金属基体和底层金属特性，构成面层的金属膜选择
单层膜或多层膜；金属膜的材料选自与基体金属和/或底层金属润湿性好的金属
钒、钨、铜、钛、钼、镍、钴、铝、银中的至少一种金属的单层膜或多层膜。
[0016] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，所述的基体金属选自高导热轻质金属材料铝、铜、银中的一种或铝、铜、银中的一种金属的合金。
[0017] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，所述三维网络金刚石骨架和金刚石颗粒的表面改性采用
磁控溅射、
真空蒸发、
电镀、
化学镀、电沉积中的至少一种镀覆方式实现。
[0018] 为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，是采用熔铸、熔渗、
冷压烧结、
热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将基体金属与表面改性的三维网络金刚石骨架复合，得到基体金属与表面改性的三维网络金刚石骨架冶金结合的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料；
[0019] 或
[0020] 采用熔铸、熔渗、冷压烧结、热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将包含表面改性金刚石颗粒的基体金属与三维网络金刚石骨架复合，得到基体金属与表面改性的三维网络金刚石骨架冶金结合的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料。
[0021] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，所述的三维网络金 刚石骨架通过化学气相沉积方法在金属三维网络骨架衬底上沉积金刚石膜制备；所述的在金属三维网络骨架衬底上沉积金刚石的化学气相沉积方法选自热丝辅助法、
微波等离子增强法、火焰燃烧法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频法、
电子回旋共振法中的一种方法，沉积的金刚石膜层厚度为0.005～1.0mm；所述的金属三维网络骨架衬底选自铜、钼、钛、钨、金、银中的至少一种或至少含其中一种金属的合金；所述的金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。
[0022] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，采用化学气相沉积方法在金属三维网络骨架衬底上沉积金刚石前，对金属三维网络骨架衬底进行预处理，预处理工艺为：
[0023] 对于可形成强
碳化物的金属三维网络骨架，将其除油、除垢、电化学
抛光后，直接浸泡于微细金刚石粉悬浊液中，进行
超声波震荡种植籽晶预处理；
[0024] 可形成强碳化物的金属三维网络骨架材料选自W、Mo、Ti中的一种；
[0025] 或
[0026] 对于不可形成强碳化物的金属三维网络骨架，将其除油、除垢、
电化学抛光后，采用
物理气相沉积或者电沉积技术在金属三维网络骨架表面制备可形成强碳化物的薄膜，并根据衬底的特性选择单层、多层或合金膜，然后，直接浸泡于微细金刚石粉悬浊液中进行
超声波震荡种植籽晶预处理；
[0027] 不可形成强碳化物的金属衬底材料选自Cu、Ag、Au、Al中的一种。
[0028] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，所述金刚石薄片和金刚石颗粒表面改性采用磁控溅射、真空蒸发、电镀、化学镀、电沉积中的至少一种镀覆方式实现。
[0029] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，所述熔铸是将含改性金刚石颗粒或不含改性金刚石颗粒的基体金属与三维网络金刚石骨架一并放入
石墨模具中，然后将其放入真空熔炼炉或气氛保护熔炼炉中加热至基体金属熔点以上400～1300℃熔炼，冷却脱模，得到三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料；或[0030] 先将基体金属在
坩埚中加热至基体金属熔点以上400～1300℃，获得熔融基体金属，直接将三维网络金刚石骨架浸置于液态的基体金属中，或向熔融基体金属中添加改性金刚石颗粒、搅拌均匀后，将三维网络金刚石骨架浸置于液态的基体金属中，冷却，得到三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料。
[0031] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，所述熔渗是将三维 网络金刚石骨架置于熔渗模具中，进行预热，在真空或保护气氛环境下，将含改性金刚石颗粒或不含改性金刚石颗粒的熔融态的基体金属加压熔渗至熔渗模具中，与三维网络金刚石骨架进行复合，三维网络金刚石骨架的预热
温度控制在400～1100℃范围，熔渗压
力为8～30MPa，熔渗温度控制在基体金属熔点以上400～1300℃，熔渗保温时间为0.5～4小时，得到三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料。
[0032] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，所述冷压烧结是将基体金属粉或含改性金刚石颗粒的基体金属粉加入三维网络金刚石骨架中，放入模具中冷压成型，压力为400～800Mpa，然后在真空或保护气氛下进行烧结，烧
结温度控制在基体金属熔点附近偏下375～1083℃，烧结保温时间为0.5～4小时，冷却脱模，得到一种螺旋线增强金属基复合材料。
[0033] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，所述热压烧结是将基体金属粉或含改性金刚石颗粒的基体金属粉加入三维网络金刚石骨架中，放入真空热压炉或保护气氛热压炉中热压烧结，压力为30～200Mpa进行烧结，烧结温度控制在基体金属熔点附近偏下375～1083℃，烧结保温时间为0.5～4小时，冷却脱模，得到三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料。
[0034] 本发明提供的三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料的制备方法，所述等离子烧结是将基体金属粉或含改性金刚石颗粒的基体金属粉加入三维网络金刚石骨架中，压制后，放入等离子烧结炉中，真空，30～70MPa进行烧结，烧结温度控制在基体金属熔点以下375～1080℃，烧结保温时间为5～30分钟，得到三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料。
[0035] 发明人根据自然界中“水
泵”对水流的作用，巧妙地将“
热泵”概念引入到金刚石/金属复合材料中，通过在金属中排布金刚石，使金刚石与金属形成并联结构，像“水泵”一样将热流不断地抽出，把周围金属基体中热量不断吸入最近邻的金刚石中被迅速抽出。
[0036] 基于上述思路，本发明采用在高导热金属基体中构建连续致密的CVD金刚石三维网络结构，可使金刚石晶粒间形成连续的导热通道，从而使得热量朝三维方向快速导出；使用磁控溅射、多弧离子镀、真空蒸发或化学镀等任意一种镀覆方式在三维金刚石骨架表面制备与金刚石润湿性好的金属薄膜，三维金刚石骨架经表面
金属化后，再在其最表层制备与金属基材具有良好润湿性的薄膜，进一步改善了金刚石薄膜与金属基体金属之间的润湿性，实现三维金刚石骨架表面与基体金属冶金结合；复合材料中添加了经复合表面改性的金刚石颗粒，与三维金刚石骨架形成了串并联复合结构，进一步提供了导热效率；采用高真空熔渗或保护气氛熔渗等方法制备三维金刚石网络骨架增强金属基复合材料，进一步促进了金刚石骨架与基 体金属之间的界面扩散，强化了界面结合，有效提升界面热导。克服了
现有技术中专利CN102244051A存在热导率不够理想的
缺陷。换言之，本专利无论在复合材料结构和组成方面，还是在制备方法方面都有了巨大的创新和改进。
[0037] 与已有技术相比，三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料，选用三维网络金刚石骨架与高导热金属基体进行复合，具有以下优势：(1)利用CVD技术在金属三维网络
支架表面沉积连续致密的CVD金刚石膜，利用三维连续金刚石膜的结构特点解决现有金刚石颗粒增强金属基复合材料中金刚石粒子的因界面热阻高导致的导热性能差的
瓶颈问题，从而高效地提高复合材料的导热性能；(2)在三维金属网络支架表面制备金刚石薄膜，属于一体成型，制备效率更高；(3)可根据实际情况，设计金刚石三维网络孔隙大小、孔隙疏密分布，灵活性高；(4)通过在三维金刚石网络骨架表面镀覆一层或多层与金刚石润湿性好的金属薄膜，然后再在其最表层制备与金属基材具有良好润湿性一层或多层薄膜，再通过不同烧结和致密化工艺，金刚石表面的金属或碳化物等向金刚石与金属基体发生界面扩散或反应，使复合界面结合强度得到明显强化，材料的热导率可获得到不同程度的改善；(5)复合材料制备过程中，将经过表面改性处理后的金刚石颗粒加入到基体金属或粉末中，通过烧结致密化工艺，使其弥散分布于金属基体中，导热模式为并
串联复合模式，有助于进一步提升三维金刚石网络增强金属基复合材料的热导率。
具体实施方式
[0039] (1)对金属三维骨架进行前期处理
[0040] 按以下步骤进行处理：(1)使用800#金相
砂纸进行打磨，然后在丙
酮中进行超声震荡清洗；(2)然后，丝材浸泡于微细金刚石粉丙酮悬浊液超声震荡处理30min；
[0041] (2)对于不可形成强碳化物的芯材，采用物理气相沉积或者化学气相沉积法在芯材表面制备可形成强碳化物的薄膜。
[0042] (3)采用热丝化学气相沉积在丝或片状基材表面沉积连续致密的金刚石膜[0043] 采用热丝法、微波等离子法、火焰法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频、电子回旋共振法等各种化学气相沉积方法在线性芯材或片状基材表面沉积金刚石，金刚石膜层厚度为0.001～1.0mm。
[0044] (4)带芯金刚石骨架表面改性处理
[0045] 采用磁控溅射、多弧离子镀、真空蒸发或化学镀等任意一种镀覆方式在三维金刚石骨架表面沉积Mo/Ni/Cu或W/Ni/Cu。
[0046] (5)金属基材填充及致密化工艺
[0047] 冷压烧结、热压烧结、熔渗或保护气氛熔炼等
热处理或致密化工艺[0048] 实施例一
[0049] 本例中采用铜线编织的三维网络，正六边形孔、网孔面积：4mm2，铜线直径：0.5mm，金刚石骨架表面镀Mo/Ni/Cu，
铝合金，压力熔渗方法
[0050] 首先按照步骤(1)对铜线编织三维网络基材表面进行前期处理；然后按照步骤(2)采用磁控溅射技术在铜线表面沉积一层可形成强碳化物的W薄膜，溅射功率为92W，压强0.5Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度500nm；之后按照步骤(3)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，沉积时间40小时，CH4/H2体积流量比1:99，得到金刚石膜厚度60μm，即得到带芯金刚石三维网络骨架；(3)采用磁控溅射方法在带芯金刚石三维网络骨架表面溅射Mo/Ni/Cu复合膜层，其中Mo膜厚度为50nm，Ni膜厚度为50nm，Cu膜厚度为10μm；(4)将表面镀Mo/Ni/Cu的带芯金刚石三维骨架置于模具中，同时将纯铝在坩埚中加热
熔化至800℃，将纯铝熔体浇注到模具内，采用液压机施压60Mpa的压力，迫使铝或铝合金熔体浸渗进入骨架中金刚石网络的间隙处，保持压力15秒，冷却脱模，取出复合材料。性能测试结果：热导率为730W/(m·K)。
[0051] 实施例二
[0052] 本例中采用钼线编织三维网络，方形孔，网孔面积：1mm2，钼线直径：0.7mm，金刚石骨架表面镀W/Ni/Cu，银合金，保护气氛熔渗
[0053] 首先按照步骤(1)对芯材表面进行前期处理；然后按照步骤(3)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度850℃，热丝温度2200，沉积压强3KPa，沉积时间40小时，CH4/H2体积流量比1:99，得到金刚石膜厚度60μm，即得到带芯金刚石丝；(4)采用真空蒸发技术在带芯金刚石三维网络骨架表面制备W膜，然后采用电镀技术在W膜表面依次沉积Ni膜和Cu膜，其中W膜厚度为20nm，Ni膜厚度为40nm，Cu膜厚度为10μm；
(5)将表面镀W/Ni/Cu的带芯金刚石骨架固定放入模具中，将金刚石骨架体积的2倍Ag合金放置在骨架上方，然后放入加热炉中，在高纯氮气保护下1050℃保温30min，即可制得三维金刚石网络增强银基复合材料，复合材料热导率分别为850W/(m·K)。
[0054] 实施例三
[0055] 本例中采用钨线编织三维网络，圆形孔：3.14mm2，钨线直径：0.5mm，金刚石骨架表面镀Mo/Ni/Cu，铜粉纯度99.9％，金刚石颗粒尺寸：80～100μm，金刚石颗粒占总体积的体积分数20％，金刚石颗粒表面经过化学镀Ni处理。
[0056] 首先按照步骤(1)对芯材表面进行前期处理；然后按照步骤(3)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度850℃，热丝温度2300，沉积压强3KPa，沉积时间80小时，CH4/H2体积流量比1:99，得到金刚石膜厚度100μm；(4)采用真空蒸发技术在带芯金刚石三维网络骨架表面溅射Mo/Ni/Cu复合膜层，其中Mo膜厚度为30nm，Ni膜厚度为80nm，Cu膜厚度为8μm；(5)将表面镀Mo/Ni/Cu的带芯金刚石骨架置于模具中，并于模具中填充纯铜粉和金刚石粉混合粉末(金刚石颗粒形貌规则，金刚石表面经过化学镀Ni处理)，然后将试样进行
放电等离子体烧结(SPS)，制得三维网络金刚石骨架增强铜基复合材料：烧结温度为930℃，烧结压力30MPa，升温速率为，保温时间10min，气氛为真空。采用此工艺制得的三维网络金刚石骨架增强铜基复合材料最高热导率为952W/(m·K)。
[0057] 实施例四
[0058] 本例中采用银线编织三维网络，方形孔，网孔面积：4mm2，银线直径：0.3mm，银线表面电镀Cr，金刚石骨架表面镀Mo/Ni/Cu，银粉纯度99.9％，金刚石颗粒尺寸：180～200μm，金刚石颗粒占总体积的体积分数20％，金刚石颗粒表面蒸镀W，热压烧结。
[0059] 首先按照步骤(1)对银线编织三维网络基材表面进行前期处理；然后按照步骤(2)采用磁控溅射技术在铜线表面沉积一层可形成强碳化物的Cr薄膜，溅射功率为150W，压强0.5Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度600nm；之后按照步骤(3)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，沉积时间50小时，CH4/H2体积流量比1:99，得到金刚石膜厚度50μm，即得到带芯金刚石三维网络骨架；(4)采用磁控溅射方法在带芯金刚石三维网络骨架表面溅射
