金刚石/铜高导热复合材料的制备与研究

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金刚石/铜复合材料由于其导热性良好、热膨胀系数可调、价格便宜、材料制造灵活等优点而被认为是最有潜力的电子封装材料之一。而且人造金刚石现在已经产业化生产,成本大大降低,因此研制高导热金刚石/铜复合材料对封装技术的发展有重要的意义和实际应用价值。本文通过在金刚石表面化学镀铜和镍铜磷合金实现表面改性,然后将其与铜粉按不同比例混合后SPS烧结制备致密的金刚石/铜复合材料。利用SEM观察了镀层形貌和复合材料表面断面形貌,通过XPS分析了粗化前后及敏化后金刚石表面的元素种类,采用激光导热仪测试了复合材料的导热率。分析了金刚石表面改性、镀层热处理、金刚石体积分数和烧结温度对复合材料显微结构和导热性能的影响。主要实验结果如下:(1)粗化处理使金刚石表面粗糙度增加并形成C-O等亲水基团,敏化活化后在金刚石表面形成均匀的活化中心;化学镀铜最佳工艺参数为:活化剂硝酸银浓度为5 g/L,化学镀温度为50℃,化学镀时间为80 min;化学镀Ni-Cu-P预处理过程中随着敏化次数的增加,得到的镀层更为均匀致密,最佳镀覆温度为70℃;热处理可以使Ni-Cu-P镀层由非晶态转变为晶态Ni和Cu,并且金刚石与镀层间形成化学键合。(2)采用常压烧结法制备的金刚石/铜复合材料相对密度较低,仅达到82.3%,在复合材料中未发现金刚石的石墨化现象。(3)采用SPS烧结在800℃制备了不同体积分数镀Ni-Cu-P金刚石的铜基复合材料,当金刚石体积分数从20%增加到40%时,复合材料相对密度变化不大,热导率从148.2 W·m-1·K-1增大到361.0 W·m-1·K-1;当体积分数增大到50%,相对密度降低,金刚石颗粒出现堆积,热导率下降到260.8 W·m-1·K-1;随着SPS烧结温度的提高,金刚石/铜复合材料的相对密度随之提高,烧结温度900℃时发生金刚石石墨化现象,800℃时得到的复合材料热导率最高;金刚石表面改性可以有效改善金刚石/铜复合材料的界面结合,提高复合材料的致密度,还可以避免金刚石在800℃烧结时发生石墨化。
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