一种金刚石-铜复合散热基板及其制备方法与流程

本发明涉及电子封装散热材料，尤其涉及一种金刚石-铜复合散热基板及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g通信、人工智能、大功率半导体器件及相控阵雷达的快速发展，电子元器件的集成度和功率密度持续攀升，单位面积发热量急剧增大，对散热基板材料的导热性能和热膨胀匹配性能提出了更为严苛的要求。

2、金刚石具有极高的理论热导率（可达2000w/(m·k)以上）和低热膨胀系数，铜具有优异的导热性能和良好的加工成型性，将二者复合制备的金刚石-铜复合材料被认为是理想的新一代电子封装散热基板材料。然而，现有金刚石-铜复合材料在实际应用中仍面临以下突出技术问题：

3、第一，界面热阻问题。金刚石与铜之间润湿性差，难以形成牢固的化学冶金结合，界面热阻高，严重制约了复合材料整体导热性能的发挥。为此，行业内普遍采用在金刚石表面镀覆碳化物形成元素（如钛、钨、铬等）以改善界面结合，但形成的碳化物过渡层通常为致密薄膜结构，其本征热导率相对较低，且与铜基体之间的接触面积有限，界面传热效率仍有较大提升空间。

4、第二，热膨胀系数匹配问题。半导体芯片（如gaas、gan、sic等）的热膨胀系数通常在3~7×10-6/k范围内，而铜的热膨胀系数约为17×10-6/k。传统均匀分布的金刚石-铜复合材料虽可通过调节金刚石体积分数来调控整体热膨胀系数，但单一体积分数的设计难以同时兼顾与芯片接触面的低热膨胀匹配需求以及与其他封装组件（如外壳、焊料层）的可靠连接需求。

5、第三，梯度结构复合材料制备难题。为实现热膨胀系数的梯度调控，部分研究者尝试制备金刚石体积分数沿厚度方向渐变的梯度复合材料，但简单的梯度分布仅在宏观层面缓解了热应力问题，并未从根本上改善金刚石颗粒与铜基体之间微观界面的导热瓶颈，梯度层间界面处仍是热传导和力学性能的薄弱环节。

6、因此，亟需开发一种能够在微观界面结构和宏观组分分布两个层面进行协同优化的新型金刚石-铜复合散热基板及其制备技术。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种金刚石-铜复合散热基板及其制备方法，其目的是解决现有技术中金刚石-铜复合材料界面热阻高、热膨胀系数难以兼顾匹配、梯度结构层间结合薄弱的技术问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种金刚石-铜复合散热基板的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）在金刚石颗粒表面沉积一层钛层，得到镀钛金刚石颗粒；

5、（2）将镀钛金刚石颗粒负载催化剂金属盐后，在氢气气氛中还原处理，使催化剂金属盐转化为金属催化剂颗粒；随后切换为含碳气体气氛进行热处理，使所述钛层以催化剂颗粒为中心向外生长，原位转化为碳化钛纳米线阵列，获得表面修饰的金刚石颗粒；

6、（3）将表面修饰的金刚石颗粒与铜粉混合得到复合粉末，通过分层铺填的方式使金刚石颗粒的体积分数在铺填方向上呈梯度变化，形成粉体坯料；

7、（4）对粉体坯料进行烧结，得到致密化的复合块体；

8、（5）将复合块体在还原性气氛中进行退火处理，即得所述金刚石-铜复合散热基板。

9、进一步的，步骤（1）中采用磁控溅射法沉积钛层，所述钛层的厚度为50~300nm。

10、进一步的，步骤（2）中所述催化剂金属盐为硝酸镍或硝酸铁，通过浸渍法负载于镀钛金刚石颗粒表面。

11、进一步的，步骤（2）中所述还原处理的温度为300~450℃，时间为0.5~2h；所述热处理的温度为700~900℃，时间为0.5~2h；所述含碳气体为乙炔和/或甲烷。

12、进一步的，步骤（2）中制备得到的碳化钛纳米线的直径为30~150nm，长度为1~10μm；所述碳化钛纳米线阵列的生长方向与金刚石颗粒表面呈近似垂直或倾斜角度。

13、进一步的，步骤（3）中，在将表面修饰的金刚石颗粒与铜粉混合前，还包括通过电化学沉积法在表面修饰的金刚石颗粒表面包覆一层铜镀层，形成铜包覆的复合颗粒，再将铜包覆的复合颗粒与铜粉混合进行后续步骤。

14、进一步的，步骤（3）中所述分层铺填具体为：沿铺填方向，金刚石颗粒的体积分数从15~30%逐渐增加至40~65%，同时所采用的金刚石颗粒的平均粒径沿该方向递减。

15、进一步的，步骤（4）中所述烧结为放电等离子烧结，放电等离子烧结的温度为750~950℃，施加的压力为30~60mpa，时间为5~20min。

16、进一步的，步骤（5）中所述还原性气氛为氢气与氩气的混合气氛，退火处理的温度为400~600℃，退火处理的时间为1~3小时。

17、本发明还提供了上述制备方法所制备的金刚石-铜复合散热基板。

18、现有技术相比，本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

19、1.本发明在金刚石颗粒表面原位生长碳化钛纳米线阵列，而非简单形成致密碳化物薄膜。碳化钛纳米线自金刚石表面向外延伸并被铜基体所包覆，极大地增加了金刚石与铜之间的界面接触面积，形成了从金刚石到碳化钛过渡层再到碳化钛纳米线、最终嵌入铜基体的多级梯度界面结构。这种结构在金刚石颗粒与铜基体之间构建了高效的声子传输通道，显著降低了界面热阻，使复合材料的整体热导率得到大幅提升。

20、2.碳化钛纳米线嵌入铜基体后，在界面处形成类似于“纤维锚固”的机械锁合效应，同时碳化钛过渡层确保了化学键合，二者的协同作用显著增强了金刚石颗粒与铜基体之间的界面结合强度，有效抑制了热循环服役过程中因热膨胀系数差异导致的界面脱粘失效，提高了散热基板的服役可靠性。

21、3.金刚石颗粒在铜基体内沿厚度方向呈梯度分布，使散热基板的一侧（高金刚石体积分数侧）具有与半导体芯片相匹配的低热膨胀系数，另一侧（低金刚石体积分数侧）具有与封装外壳或焊料层相匹配的较高热膨胀系数，同时保持良好的可加工性和可焊接性。这种梯度设计可在散热基板内部实现热应力的平缓过渡，减小热失配应力集中。

22、4.本发明通过“钛层沉积—催化剂前驱体负载—氢气还原—原位生长”的工艺路线，实现了碳化钛纳米线阵列在金刚石颗粒表面的可控、均匀生长。相比于外加纳米线的混合方式，原位生长的纳米线与金刚石颗粒之间具有天然的结合强度，分散均匀性好，避免了外加纳米线工艺中难以克服的团聚和界面结合弱的问题。

1.一种金刚石-铜复合散热基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中采用磁控溅射法沉积钛层，所述钛层的厚度为50~300nm。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述催化剂金属盐为硝酸镍或硝酸铁，通过浸渍法负载于镀钛金刚石颗粒表面。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述还原处理的温度为300~450℃，时间为0.5~2h；所述热处理的温度为700~900℃，时间为0.5~2h；所述含碳气体为乙炔和/或甲烷。

5.根据权利要求1~4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中制备得到的碳化钛纳米线的直径为30~150nm，长度为1~10μm；所述碳化钛纳米线阵列的生长方向与金刚石颗粒表面呈近似垂直或倾斜角度。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，在将表面修饰的金刚石颗粒与铜粉混合前，还包括通过电化学沉积法在表面修饰的金刚石颗粒表面包覆一层铜镀层，形成铜包覆的复合颗粒，再将铜包覆的复合颗粒与铜粉混合进行后续步骤。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述分层铺填具体为：沿铺填方向，金刚石颗粒的体积分数从15~30%逐渐增加至40~65%，同时所采用的金刚石颗粒的平均粒径沿该方向递减。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述烧结为放电等离子烧结，放电等离子烧结的温度为750~950℃，施加的压力为30~60mpa，时间为5~20min。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述还原性气氛为氢气与氩气的混合气氛，退火处理的温度为400~600℃，退火处理的时间为1~3小时。

10.权利要求1~9任一项所述制备方法所制备的金刚石-铜复合散热基板。