一种片状Cu-金刚石复合热管理界面材料的制备方法与流程

本发明属于电子封装与热管理材料，具体涉及一种高功率电子器件用片状cu-金刚石复合热管理界面材料的制备方法。

背景技术：

1、随着电子元器件向高功率、高集成度、微小型化方向快速发展，电子设备的热流密度持续攀升，热量管理已成为制约器件性能、可靠性与使用寿命的核心瓶颈。在典型散热路径中，界面接触热阻占整体散热系统总热阻的60%以上，热界面材料作为填充热源与散热部件微观缝隙、降低界面接触热阻的核心功能材料，其性能直接决定了散热系统的最终效率。

2、传统热界面材料存在难以突破的性能天花板与应用短板。导热硅脂、聚合物基相变材料、导热垫片的主流产品热导率仅1～8w/m·k，体热阻大，无法适配高热流密度器件散热需求；界面润湿能力差，无法彻底填充界面微米级凹凸缝隙，残留空气导致界面接触热阻居高不下；长期服役存在硅油挥发、基体老化、冷热循环泵出效应等问题，1000次-40℃～125℃热循环后性能衰减超30%；导热垫片需极高装配压力，易对薄型化、大尺寸裸die造成机械损伤。

3、为突破上述瓶颈，铜-金刚石复合体系成为热界面材料领域的前沿研发方向。纯铜本征导热系数达401w/m·k，金刚石单晶本征导热系数高达2000～2300w/m·k，二者复合可突破单一金属材料的导热极限，同时可通过金刚石含量调控材料热膨胀系数，缓解芯片与散热器之间的cte失配问题。

4、然而，目前铜-金刚石复合材料的主流制备方法均存在明显不足：粉末冶金热压/放电等离子烧结法仅能制备小尺寸块体材料，金刚石颗粒易团聚、分布不均，且难以制备厚度0.5mm以下的超薄大尺寸片材；熔渗法预制体强度低，熔渗过程中易坍塌，铜熔体对金刚石润湿性差，工艺复杂、成本高；喷涂、电镀等表面覆合法形成的热界面材料层承载力学性能差，长期可靠性存疑；选区激光熔化3d打印技术存在铜对激光高反射率导致成型难度大、金刚石高温石墨化、设备与原材料成本高昂的问题。现有粘结剂喷射3d打印技术虽具备低成本、大尺寸、近净成型优势，但未解决铜-金刚石复合粉末成型性差、生坯强度低、脱脂烧结过程中翘曲开裂、致密化困难的核心问题。

5、此外，金刚石与铜基体界面润湿性极差，现有改性技术（如ti、w、cr等碳化物涂层）虽能在一定程度上改善界面结合，但仍存在界面反应不可控、涂层均匀性差、界面热阻优化不充分等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种片状cu-金刚石复合热管理界面材料的制备方法，以解决现有技术中金刚石与铜基体润湿性差、超薄大尺寸片状成型困难、脱脂烧结翘曲开裂、致密化困难以及性能协同调控能力不足的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种片状cu-金刚石复合热管理界面材料的制备方法，包括以下步骤：金刚石粉末表面改性，采用低压化学气相沉积工艺，以五氯化钽为钽源、甲烷为碳源、氢气为载气，在800～1000℃、压力1～5kpa条件下保温1～3h，在金刚石粉末表面原位生成50～200nm厚的连续均匀纳米碳化钽涂层，得到改性金刚石粉末；复合粉末配伍与均化处理，按体积占比计，将纯铜粉50%～85%、改性金刚石粉末10%～45%、多组元性能调控相粉末2%～10%进行混合均化，得到复合粉末，多组元性能调控相粉末包括银粉、锡粉、铋粉和铟粉；粘结剂喷射3d打印制备生坯，将复合粉末加入粘结剂喷射3d打印机中，按照预设的片状产品三维模型逐层打印成型，打印完成后经保温固化和清粉处理，得到片状复合生坯；脱脂与预烧结，对片状复合生坯进行阶梯式升温脱脂处理，使粘结剂完全热解排出，随后升温至预烧结温度进行预烧结，使铜粉颗粒之间形成初步颈部结合，得到预烧结坯体；刚性约束低温活化烧结，将预烧结坯体放入刚性约束烧结模具中，施加0.1～0.3mpa的恒定合模预紧力，在还原性或惰性保护气氛中，以900～980℃保温1.5～4h进行低温活化烧结，通过多组元性能调控相中低熔点元素的液相活化作用促进铜基体相致密化，烧结完成后随炉冷却，得到片状cu-金刚石复合烧结坯体；后处理，去除烧结坯体边缘的支撑结构，经双面精密研磨和抛光，得到由铜基体相均匀包覆表面具有纳米碳化钽涂层的金刚石颗粒增强相、多组元性能调控相分布其间的片状cu-金刚石复合热管理界面材料。

4、进一步的，金刚石粉末为球形或类球形单晶金刚石粉末，纯度≥99.9%，粒径d50=10～100μm；纳米碳化钽涂层与金刚石基体为化学键结合，结合力≥40mpa。

5、进一步的，纯铜粉采用双粒径梯度配伍，包括粗粉和细粉，粗粉d50=30～45μm，细粉d50=5～15μm，粗粉与细粉的质量比为7:3～8:2；按体积占比计，银粉1%～4%、锡粉0.5%～4%、铋粉0.1%～1%、铟粉0.2%～1%。

6、进一步的，混合均化包括依次进行的以下处理：将改性金刚石粉末与多组元性能调控相粉末在惰性气氛下预混；将预混料与纯铜粉在惰性气氛下主混；采用惰性气体对混合粉末进行气流均化处理；加入0.1～0.5wt.%的偶联剂进行稳定化处理；烘干筛分后得到复合粉末。

7、进一步的，片状产品三维模型的成品厚度设计为0.1～2mm，最大成型尺寸为300mm×300mm，三维模型中根据复合粉末的烧结收缩率12%～18%进行等比例预补偿，三维模型边缘设计有宽度0.3～1mm的一体化增强轮廓支撑结构；打印成型腔温度为40～60℃，环境湿度为30%～45%，喷墨分辨率600×600dpi，粘结剂喷射量为8～14vol%，铺粉层厚为20～50μm。

8、进一步的，在阶梯式升温脱脂处理之前还包括深度后固化步骤，将片状复合生坯在惰性气氛保护下于130～180℃保温1～3h；阶梯式升温脱脂处理包括：以1～2℃/min升温至200～220℃保温1～2h，以1～2℃/min升温至400～450℃保温2～4h，以3℃/min升温至550～600℃保温1～2h进行预烧结。

9、进一步的，刚性约束烧结模具为等静压石墨模具，包括上模、下模和定位销，型腔与预烧结坯体的单边间隙≤0.05mm，型腔内表面涂覆1～2μm厚的氮化硼隔离剂；保护气氛为高纯氢气或氩氢混合气，炉内氧含量≤5ppm；烧结完成后以3～5℃/min的降温速率随炉冷却。

10、进一步的，低压化学气相沉积工艺可替代为溶胶-凝胶法：将金刚石粉末浸入含乙醇钽和蔗糖的溶胶中进行均匀包覆，在惰性气氛中干燥后，于1200～1400℃真空或ar/h2混合气氛中热处理1～2h，得到纳米碳化钽涂层改性金刚石粉末。

11、进一步的，脱脂与预烧结可替代为催化脱脂与预烧结工艺：将片状复合生坯在110～140℃通入硝酸蒸汽进行催化脱脂，随后在真空或氢气/氩气混合气氛中以3～5℃/min升温至700～800℃，保温30～60min进行预烧结。

12、进一步的，后处理中还包括对成品表面进行镀镍或镀金处理。

13、本发明提供的片状cu-金刚石复合热管理界面材料的制备方法具有以下有益效果：

14、第一，通过纳米碳化钽涂层改性，解决了金刚石与铜基体润湿性极差、界面热阻高的核心问题，碳化钽涂层化学稳定性优异、声子匹配度高，可大幅降低界面声子散射，充分释放金刚石的超高导热性能，成品导热系数可达200～650w/m·k；第二，通过银、锡、铋、铟多组元协同设计，在900～980℃低温条件下实现液相活化烧结，避免了金刚石高温石墨化和碳化钽涂层过度反应，同时实现高致密度、低热膨胀系数和优异界面润湿性的协同优化；第三，通过刚性约束烧结模具的全维度精密约束，控制超薄坯体烧结过程中的均匀收缩，避免翘曲变形，实现厚度均匀性偏差≤±0.01mm的精准控制；第四，采用粘结剂喷射近净成型技术，可直接制备厚度低至0.1mm的超薄件，最大成型尺寸可达300mm×300mm，无需模具即可实现产品快速换型，生产效率高，制造成本低；第五，成品经1000次-40℃～125℃热循环后性能保持率≥92%，良品率≥95%，具备优异的长期服役可靠性和工业化量产能力。