一種基于負(fù)熱膨脹顆粒的Cu基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合功能材料技術(shù)領(lǐng)域，在前期已獲得高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且無壓力相變的負(fù)熱膨脹粉體材料Sc2W3O1J^基礎(chǔ)上，采用粉末冶金法制備Cu基Sc 2W3012復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，對(duì)材料性能提出了越來越高的要求；以電子封裝材料為例，由于金屬Cu具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電性能以及很好的可加工性能被廣泛應(yīng)用，但是，由于半導(dǎo)體集成電路的封裝密度越來越大，要求封裝材料不僅具備足夠的強(qiáng)度和剛度，對(duì)芯片能起到支撐和保護(hù)作用，而且具有較低的熱膨脹系數(shù)(CTE)，使之與Si或GaAs等芯片相匹配，并且要具有較高的導(dǎo)熱率，能夠?qū)雽?dǎo)體芯片在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去，所以低膨脹銅基復(fù)合材料的研宄開發(fā)一直是一個(gè)熱點(diǎn)研宄方向；國(guó)內(nèi)外開展了一系列低正熱膨脹材料如W、Mo、SiC、金剛石等粉體和Cu、Al的復(fù)合研宄，陸續(xù)取得了一些進(jìn)展，美國(guó)SCM公司將W、Mo與Cu復(fù)合，雖保持了較高的導(dǎo)熱性，但CTE值仍高于10.0X10_6/K ;20世紀(jì)90年代，美國(guó)Texas Instruments公司開發(fā)了一種稱之為Cuvar的可控制膨脹、高熱導(dǎo)的復(fù)合材料，在Cu中加入低膨脹合金Invar，CTE值降為0.4X 10_6/K，但熱導(dǎo)率很低，只有11.0ff/m.K ;后來，研宄者又將碳纖維與Cu復(fù)合，但由于碳纖維性能的各向異性，使得復(fù)合材料在碳纖維的平行方向和垂直方向性能差別很大；近年來，高體分比SiC顆粒增強(qiáng)Cu復(fù)合材料被廣泛研宄，該復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱和可調(diào)的低膨脹特性，但由于SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)高達(dá)55%以上，使得制備困難并且難以保證顆粒的均勻分散，得到的復(fù)合材料脆性和硬度較高，難以實(shí)現(xiàn)二次機(jī)加工；2002年，美國(guó)和日本相繼提出被稱之為Dymalloy的銅-金剛石復(fù)合材料，由于金剛石優(yōu)異的導(dǎo)熱性，復(fù)合材料在25?200°C的熱導(dǎo)率高達(dá)600.0 ff/m.K，CTE為5.5?
6.5 X 10_6/K，但金剛石的填充量也高達(dá)55%，界面熱阻和成型工藝成為該材料發(fā)展的制約瓶頸；為了降低金屬基體的熱膨脹系數(shù)，必須加入足夠量的低膨脹粉體，而復(fù)合粉體的加入勢(shì)必會(huì)犧牲金屬基體的部分導(dǎo)熱性能，且降低其可加工性，協(xié)調(diào)和解決這一矛盾已成為該方向的研宄熱點(diǎn)，如何在較低填充體積分?jǐn)?shù)下實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的低膨脹、高熱導(dǎo)、性能穩(wěn)定性和可加工性是解決該類材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題；負(fù)熱膨脹材料的發(fā)現(xiàn)為解決這類問題提供了可能，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Verdon和Dunand設(shè)想利用Cu的高導(dǎo)熱性和ZrW2O8的負(fù)熱膨脹(NTE)特性，研制低膨脹甚至是零膨脹的Cu基復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于ZrW2O8極其狹窄的穩(wěn)定區(qū)間(1378~1560Κ)以及較低壓力(0.2GPa)下的壓力相變，采用真空燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)所得復(fù)合材料中均發(fā)生ZrW2O8的分解或相變而失效；如果采用高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且無壓力相變的NTE顆粒為復(fù)合相，完全可以獲得低膨脹、高導(dǎo)熱的Cu基復(fù)合材料，Sc2W3O12M料不僅具有較好的負(fù)熱膨脹性能(-6~-1ix1_6/k)，而且高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，室溫至1200°C不發(fā)生相變且不分解，雖有壓力相變，但所需壓力較高(2.7G);因此，本發(fā)明即以5(:213012粉體材料為基礎(chǔ)，采用粉末冶金法實(shí)現(xiàn)低熱膨脹銅基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備及性能調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于降低銅的熱膨脹系數(shù)，制備低膨脹的Cu基Sc2W3O12復(fù)合材料。
[0004]一種基于負(fù)熱膨脹顆粒Sc2W3O12的Cu基復(fù)合材料的制備方法，所用原料為:
6.5 μπι 的銅粉，Sc2W3O12粉體。
[0005]制備工藝為:
1.混粉
將原料粉體Sc2W3O12粉體與Cu粉以不同比例進(jìn)行球磨，球磨完成后取出球磨罐進(jìn)行干燥，再將原料粉體放入到研缽中研磨得到混合粉體。
[0006]2.壓制成型
將混合粉體填入模具中，振動(dòng)壓實(shí)后將模具放在油壓機(jī)上，加壓5~10 Mpa保持3~5min后卸去壓力，將模具中的樣品取出。
[0007]3.燒結(jié)
采用真空管式爐進(jìn)行燒結(jié)，抽真空后向爐內(nèi)通入Ar/H2混合氣體作為保護(hù)氣體，Ar的流量為 1~1.5ml/s，4的流量為 0.3-0.5ml/s。在 500°C ~900°C燒結(jié) 1~4 h，隨爐冷卻。
[0008]所述的球磨指:先將原料粉體在研缽中初混，然后平均分入兩個(gè)球磨罐中，加入無水乙醇進(jìn)行濕法球磨，設(shè)定球磨時(shí)間為300~1200 min，球磨機(jī)每運(yùn)轉(zhuǎn)30 min停15 min。
[0009]所述的Sc2W3O12粉體與Cu粉以不同比例指控制Sc 2W3012粉體占原料粉體的質(zhì)量比為 10%~60%。
[0010]步驟I中5(3213012質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%~60%為好，較低時(shí)熱膨脹系數(shù)降低不明顯。
[0011]步驟2中所加壓力10 Mpa為最佳，保壓時(shí)間3 min為最佳。
[0012]步驟3中樣品的最佳燒結(jié)溫度為500~600 °C。
[0013]本發(fā)明創(chuàng)造性的引入負(fù)熱膨脹材料5(:213012粉體顆粒作為改善銅熱膨脹系數(shù)的復(fù)合相，對(duì)復(fù)合材料的熱膨脹性能進(jìn)行調(diào)控，該發(fā)明新穎，制備工藝簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0014]圖1為實(shí)例I中不同燒結(jié)溫度下Cu基Sc2W3O12復(fù)合材料的XRD圖譜。
[0015]圖2、3、4分別為實(shí)例2中Sc2W3O12質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40 %的混合粉的SEM圖、燒結(jié)后復(fù)合材料的金相圖以及熱膨脹曲線圖。
[0016]圖5、6、7分別為實(shí)例3中Sc2W3O12質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60 %的混合粉的SEM圖、燒結(jié)后復(fù)合材料的金相圖以及熱膨脹曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1
稱取5(:213012粉30 g、Cu粉20 g，先在研缽中初混，然后平均分入兩個(gè)球磨罐中，加入無水乙醇進(jìn)行濕法球磨，設(shè)定球磨時(shí)間為900 min，球磨機(jī)每運(yùn)轉(zhuǎn)30 min停15 min，球磨完成后取出球磨罐放入干燥箱80 °C下烘12 h，再將塊狀混合物取出，放入研缽中研磨60 min得到均勻混合粉體；取4 g混合粉加入柱狀模具中振蕩壓實(shí)，并在10 Mpa壓力下保持3 min后脫模取樣，得到直徑為10_的柱狀試樣，多次壓片制得5個(gè)樣品；用真空管式爐將這5個(gè)樣品分別在500 0C