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CN114369750A - 一种金属基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种金属基复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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CN114369750A
CN114369750A CN202111610249.0A CN202111610249A CN114369750A CN 114369750 A CN114369750 A CN 114369750A CN 202111610249 A CN202111610249 A CN 202111610249A CN 114369750 A CN114369750 A CN 114369750A
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metal
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赵军峰
李丘林
王靓
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Shenzhen Zhixing New Material Technology Co ltd
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Shenzhen Zhixing New Material Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种金属基复合材料及其制备方法和应用。本发明的金属基复合材料，该金属基复合材料中，增强体颗粒在金属基体中呈梯度分布，具有优异的综合性能，包括较高的导热系数，可调的热膨胀系数，较高的硬度和较低的密度，良好而长期稳定的性能，是理想的散热封装材料。本发明的金属基复合材料，该金属基复合材料中，增强体颗粒在金属基体中呈梯度分布，使用梯度材料在高温低温环境循环变化下能够缓解材料内部热应力，可以解决电子元器件因热问题的失效。如高体积分数比的碳化硅铝基复合材料(SiCp/Al)具有优异的综合性能，包括较高的导热系数、可调的热膨胀系数、较高的硬度和较低的密度，是电子封装领域的理想材料。

Description

一种金属基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，具体涉及一种金属基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
在电子和光子系统中，有效的热管理一直是产品尺寸小型化、性能优良化、功能多样化及可靠性有效增强的关键技术。半导体的技术走势表明近几十年来电子设备热量耗散持续增加，而且在可以预见的将来，散热问题会成为高端电子设备制造的限制因素。如果不能有效散热，将导致电子设备过热，温度升高，甚至失效。随着芯片技术的发展，电子器件的集成度以每年40％～50％的速度提高。在电子器件中，相当一部分功率损耗转化为热的形式。20世纪80年代，集成电路热密度约为10W/cm2，90年代则增加到20～30W/cm2，2008年已接近100W/cm2，2019年芯片级热流密度已经超过1000W/cm2，而局部热点的热密流甚至能够达到30000kW/cm2。如果温度上升超过某一上限，就会出现设备烧毁或者着火的情况。即便没有着火，也会由于高温导致设备失效。
高集成高效率的电子器件模块的散热性能受封装工艺决定，而封装材料是封装工艺的核心。电子器件的散热是必须要解决的重要问题。而且随着大功率电子器件封装容量的增大，对散热材料也提出了更高的要求。先进的电子器件模块封装材料必须具有良好而长期稳定的性能。随着集成电路的功率和集成度的提高，芯片单位面积的发热量也在不断增大，电子器件散热基板的性能、质量和制造工艺等因素很大程度受到基板材料的影响，传统金属基板、玻璃基板已经难以满足其散热性能要求。目前市场上主要使用的大功率电子器件基板有陶瓷基板(含陶瓷覆铜基板)、铝碳化硅基板等类别，仅有极少部分中小功率电子器件还使用金属基板。国内外采用浸渗法制造铝基碳化硅散热底板或其它类金属基陶瓷基板，可以发现利用该工艺制造的产品还存在以下问题，以铝基碳化硅复合材料为例说明：(1)浸渗法制备的封装材料表面为铝合金，内部为SiC/Al复合材料。当模块工作升温时，这两种具有不同热膨胀系数的材料以不同的速率变形，而组件停工降温冷却时也会产生不均衡的收缩。这种不均匀的热膨胀系数的分布会在组件中产生热致机械应力，会导致全部组件的整体弯曲，以及界面上焊点焊球的顶部和底部之间的相对水平位移。一旦这种整体应力或变形集中在模块内局部一点，并在热循环中不断积累，必然导致工作过程中器件过早失效。同时，在内应力影响和热循环工况下，板体逐渐产生蠕变变形，对模块稳定工作与使用寿命极为不利；而且铝合金较低的热导率拉低了整个基板的热导率，影响了整体散热效率。(2)浸渗法制备的封装模块散热基板上存在安装用沉孔和通孔。为了在机械打孔过程中基板不发生开裂，往往使用铝合金制备这一部位，但不可避免的是，留下的铝合金必然与复合材料存在界面，这个位置应力大、面积小，最容易发生断裂。这也是目前基板故障最多的地方，只有采用通体是由SiCp/Al复合材料制成的净成形工艺才能避免，但铝碳化硅采用机械加工方式钻孔难度又较高。另外，非净成形技术生产出来的产品，表面还存在几十到几百微米厚的铝层，形成很大的内应力，且无法用热处理方式去除。
因此，仍需开发一种新的散热材料。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种金属基复合材料，该金属基复合材料中，增强体颗粒在金属基体中呈梯度分布，具有优异的综合性能，包括较高的导热系数、可调的热膨胀系数、较高的硬度和较低的密度，是理想的散热材料。
本发明还提供了上述金属基复合材料的制备方法。
本发明还提供了上述金属基复合材料的应用。
本发明的第一方面提供了一种金属基复合材料，包括金属基体以及分散于所述金属基体中的增强体颗粒，所述增强体颗粒在所述金属基体中呈梯度分布。
本发明关于金属基复合材料中的一些技术方案，至少具有以下有益效果：
本发明的金属基复合材料，该金属基复合材料中，增强体颗粒在金属基体中呈梯度分布，具有优异的综合性能，包括较高的导热系数，可调的热膨胀系数，较高的硬度和较低的密度，良好而长期稳定的性能，是理想的散热材料。
本发明的金属基复合材料，该金属基复合材料中，增强体颗粒在金属基体中呈梯度分布，使用梯度材料在高温低温环境循环变化下能够缓解材料内部热应力，可以解决电子元器件因热问题的失效。如高体积分数比的碳化硅铝基复合材料(SiCp/Al)具有优异的综合性能，包括较高的导热系数、可调的热膨胀系数、较高的硬度和较低的密度，是电子封装领域的理想材料。
本发明的金属基复合材料，该金属基复合材料中，增强体颗粒在金属基体中呈梯度分布，可以改善电子器件在工作中因温度梯度而导致的热变形问题。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒在所述金属基体中沿纵向厚度方向呈梯度分布。
根据本发明的一些实施方式，所述金属基体包括单一金属基体或合金基体。
根据本发明的一些实施方式，所述单一金属基体为铝基体。
根据本发明的一些实施方式，所述单一金属基体为铝合金基体。
根据本发明的一些实施方式，所述单一金属基体为铜基体。
根据本发明的一些实施方式，所述单一金属基体为铜合金基体。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒在所述金属基复合材料中的体积分数为10％～70％。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒在所述金属基复合材料中的体积分数为10％～50％。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒包括碳化硅颗粒、金刚石颗粒、碳化硼颗粒和石墨烯颗粒中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒的粒径为10μm～500μm。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒的粒径为10μm～150μm。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒的粒径为10μm～100μm。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒的粒径为20μm～50μm。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒的粒径为10μm～40μm。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒的粒径为20μm～40μm。
根据本发明的一些实施方式，所述增强体颗粒的粒径为30μm～40μm。
本发明的第二方面提供了一种制备上述金属基复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：将金属基复合材料坯体置于挤压装置中，所述挤压装置的顶部设有挤压板，所述挤压装置的底部设有过滤板；
S2：将所述金属基复合材料坯体加热熔化后，向所述挤压板施加压力，通过所述挤压板的移动，使熔化的部分金属基体材料从所述挤压装置的底部流出。
本发明关于金属基复合材料的制备方法中的一些技术方案，至少具有以下有益效果：
本发明的金属基复合材料的制备方法，与浸渗法等方法相比，需要的设备更少，流程更短，相应的制造成本更低。
本发明的金属基复合材料的制备方法，利用挤压过程实现增强体颗粒在金属基体中的梯度分布。挤压过程容易控制，简化了梯度材料的制备工艺，可以实现在特定的位置实现特定的增强体颗粒含量。
本发明的金属基复合材料的制备方法，通过控制挤压板的移动速度，向挤压板施加变速，就能形成增强体颗粒的阶梯性分布，操作方便。
本发明的金属基复合材料的制备方法，通过控制挤压板的移动速度，向挤压板施加变速，可以实现在某一位移下陶瓷颗粒呈聚集状态，在某一位移下陶瓷颗粒呈连续梯度的分布。也就是说，通过设计坯料中固液比例和相等位移下的不同挤压速度，调控某一个位移区间内，使增强体颗粒含量高于下一个同样位移下的含量。比如，相同的固液比例，挤压速度1mm/s的增强体颗粒在某一个位移的聚集状态要大于同样条件下3mm/s的挤压速度。如果某一位移下，固液比例和挤压速率相同，此时增强体颗粒分布呈线性梯度分布。
本发明的金属基复合材料的制备方法，金属液体从模具底部压出，可以提高复合材料中增强体颗粒的体积分数，使陶瓷颗粒含量在基体中可调控分布。
本发明的金属基复合材料的制备方法，不受限于金属基复合材料坯体的制备，金属基复合材料坯体的制备可以采用铸造法、粉末冶金法和3D打印法等，各种方法制备得到的金属基复合材料坯体均适用于本发明的方法，因此，本发明的金属基复合材料的制备方法不仅丰富了梯度材料的加工方法，也拓宽了梯度材料的研发思路。
本发明的金属基复合材料的制备方法，妥善解决了浸渗法制备梯度材料存在的问题，本发明的方法，仅需将金属基复合材料坯体加热熔融后向下压，使熔融的部分金属基体材料从挤压装置的底部流走，实质上一步法就能做成满足电子封装性能要求的复合材料，无论是高增强体颗粒含量的复合材料，还是低增强体颗粒含量的复合材料，制备过程都更加容易。例如，利用含有30％体积分数增强体颗粒的金属基复合材料坯体作为原料，坯体中原本含有30％的增强体颗粒，70％是金属基体，在固液分离过程中，70％的铝液通过底部排出40％，30％的陶瓷颗粒被挤压装置底部的过滤板截流在基体中，此时式样中增强体颗粒的体积分数变为50％。若采用浸渗法，制备含有50％体积分数增强体颗粒的复合材料，需要将50％体积分数的金属全部压入预制体中，而若制备含有30％体积分数增强体颗粒的复合材料，则需要将70％体积分数的金属全部压入预制体中，增强体颗粒的含量越多，制备的难度越大。此外，采用浸渗法制备梯度材料时，需要先将增强体颗粒通过压制或烧结等方法制备成预制体，然后再通过压力将金属液体压渗到预制体中，这种方法会导致在制备得到的材料表面不可避免的存在一层金属液，增加界面热阻，材料的组织相当于三明治结构，各部分的热膨胀系数不同，在使用过程中，由于热膨胀系数的差异，材料容易出现断层和脱落，并且工艺繁琐，成本加高。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，过滤板上设有滤孔。
根据本发明的一些实施方式，滤孔为0.1mm～6mm。
根据本发明的一些实施方式，因为陶瓷颗粒在过滤孔处会发生搭接，即使滤孔大于增强体颗粒粒径，发生搭接后，滤孔会减小，熔化的金属液可以通过，而增强体颗粒则被截留，因此，无需要求滤孔一定要小于增强体颗粒粒径。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，将金属基复合材料坯体加热熔化，可以是仅熔化一部分金属基材料，也可以是金属基体完全熔化，只需要将金属基体加热熔化后能够流动即可。
根据本发明的一些实施方式，所述挤压板的移动速度为0.1mm/s～20mm/s。
根据本发明的一些实施方式，所述挤压板的移动速度为0.5mm/s～10mm/s。
挤压板的移动速度为和移动位移可以根据需要进行调整，移动位移的设计原则是不超过设计式样的高度即可。
本发明的第三方面提供了一种散热器，所述散热器的制备原料上述的金属基复合材料。
本发明关于散热器的技术方案中的一些技术方案，至少具有以下有益效果：
本发明的散热器，利用上述的金属基复合材料制备得到，容易根据需要设计散热器中的材料分布，可以设计出更多适合具体工况的散热器。
根据本发明的一些实施方式，所述散热器具有表面与底面，所述底面与被散热对象相接触，所述底面的热膨胀系数与所述被散热对象的热膨胀系数相匹配。
根据本发明的一些实施方式，所述散热器用于电子封装领域。
根据本发明的一些实施方式，被散热对象包括芯片。
根据本发明的一些实施方式，散热器具有与芯片接触面相匹配的热性能的散热基板，可以改善电子器件在工作过程中因温度梯度而导致的热变形问题。
目前市场上采用浸渗法制备的电子器件散热底板，其表面有一层薄薄的金属基体，增加了热阻。而本发明的散热器，散热基板整体由金属基陶瓷增强复合材料制得，具备更优的热疲劳性能，延长了使用寿命。
利用本发明的复合材料制备散热器，所需设备和流程比浸渗法少，降低了目前电子器件的封装成本。
附图说明
图1是实施例1的过滤挤压装置结构和过滤挤压过程示意图。
图2是实施例1制备的金属基复合材料的微观组织碳化硅分布示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例制备了一种金属基复合材料，具体制备过程为：
以30μm铝粉、27μm碳化硅粉为原料，经过混粉、冷等静压以及真空烧结制成冷等静压生坯，具体过程为：经过干法混粉后，得到15wt.％的SiC/Al混合粉末，混合粉末在400MPa下冷等静压1min，得到复合材料冷等静压生坯，生坯致密度介于95％～97％之间，生坯经过600℃真空烧结；
利用过滤挤压试验装置，对生坯进行加热，升温至660℃后，保温20min，待加热过程结束后，液压机在设定的程序下，推动挤压板对熔融的生坯进行过滤挤压，此时挤压位移为4mm，挤压速度0.5mm/s，液态Al熔体通过过滤板流入空腔。
过滤挤压装置的结构和过滤挤压过程如图1所示。图1中，100为挤压装置，110为挤压板，120为过滤板，210为生坯，220为从过滤板排出的铝液。碳化硅粉分散在铝液中，被截留在过滤板120上方，滤液220从过滤板120排出。过滤板120上滤孔的大小为1mm。
过滤挤压完成后，将复合材料溶体快速冷至室温，脱模后即可得到金属基复合材料。
通过扫描电镜观察了制备的金属基复合材料的微观组织碳化硅分布，如图2所示。图2中，图2(a)为原始式样不同位置的碳化硅分布；图2(b)为通过过滤板之后的金属液体；图2(c)为挤压后，与a中对应的不同位置的取样组织。
比较图2(a)和(c)可以看出，挤压后，SiC颗粒在铝基体中呈梯度分布，并且金属基复合材料的碳化硅分布更加密集，说明金属基复合材料中的碳化硅含量更高。
在图2(b)中未观察到碳化硅颗粒，说明碳化硅颗粒在挤压过程中未通过过滤板，被过滤板全部截留。
实施例2
本实施例制备了一种金属基复合材料，具体制备过程为：
以铝锭、50μm碳化硅粉为原料，液态搅拌法做成30wt.％SiC/Al坯锭，为消除铸造缺陷，将式样进行热压。热压参数为加热至500℃，保温20Min，施加30T的力进行热压，样品致密度介于95％～97％之间；
利用过滤挤压试验装置对复合材料坯锭进行加热，升温至700℃后保温20min，待加热过程结束后，液压机在设定的程序下推动过滤模具对试验样品进行过滤挤压，挤压位移为8mm，挤压速度为1mm/s，液态Al溶体通过过滤板流入空腔，SiC颗粒保留在样品底部形成高碳化硅含量区域；过滤挤压完成后，将复合材料溶体快速冷至室温，脱模后即可得到金属基复合材料。在高碳化硅含量一侧取样，测试热膨胀系数为7.3ppm/K(25℃)，热导195(W/(m·K)(25℃))
性能测试
使用热机械分析仪、闪光法导热分析仪和微机控制电子万能试验机测试了实施例1和实施例2制备的金属基复合材料的热膨胀系数、热导率和强度，结果如表1所示。
表1
平均热膨胀系数 热导率 强度
实施例1 12ppm/K(25℃) 190W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup> 60MPa
实施例2 7.6ppm/K(25℃) 185W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup> 70MPa
本发明的复合材料可以用于制备散热器。
本发明的散热器，利用上述的金属基复合材料制备得到，容易根据需要设计散热器中的材料分布，可以设计出更多适合具体工况的散热器。
可以理解到，散热器具有表面与底面，底面与被散热对象相接触，底面的热膨胀系数与被散热对象的热膨胀系数相匹配。
作为一种实施方式，散热器用于电子封装领域。
作为一种实施方式，被散热对象包括芯片。
散热器具有与芯片接触面相匹配的热性能的散热基板，可以改善电子器件在工作过程中因温度梯度而导致的热变形问题。
目前市场上采用浸渗法制备的电子器件散热底板，其表面有一层薄薄的金属基体，增加了热阻。而本发明的散热器，散热基板整体由金属基陶瓷增强复合材料制得，具备更优的热疲劳性能，延长了使用寿命。
利用本发明的复合材料制备散热器，所需设备和流程比浸渗法少，降低了目前电子器件的封装成本。
由于芯片的热膨胀系数与碳化硅颗粒体积含量为50％-80％的SiCp/Al相匹配，属于高体积含量的铝基碳化硅复合材料，在材料制备过程中较为困难。但在电子封装模块中，无需整个部件全部具备与芯片匹配的热膨胀系数，只需封装底板与芯片模块接触面具备匹配的高体积分数碳化硅铝基复合材料即可，且铝合金高效的导热系数能够满足散热需求。因此，本发明可以结合电子封装使用性能为背景，发明SiC颗粒梯度分布的铝基复合材料结构，能够在特定位置满足高含量SiC要求，整体满足散热需求。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种金属基复合材料，其特征在于，包括金属基体以及分散于所述金属基体中的增强体颗粒，所述增强体颗粒在所述金属基体中呈梯度分布。
2.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述增强体颗粒在所述金属基体中沿纵向厚度方向呈梯度分布。
3.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体包括单一金属基体或合金基体。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述增强体颗粒在所述金属基复合材料中的体积分数为10％～70％。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述增强体颗粒包括碳化硅颗粒、金刚石颗粒、碳化硼颗粒和石墨烯颗粒中的至少一种。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述增强体颗粒的粒径为10μm～500μm。
7.一种制备如权利要求1至6任一项所述的金属基复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：将金属基复合材料坯体置于挤压装置中，所述挤压装置的顶部设有挤压板，所述挤压装置的底部设有过滤板；
S2：将所述金属基复合材料坯体加热熔化后，向所述挤压板施加压力，通过所述挤压板的移动，使熔化的部分金属基体材料从所述挤压装置的底部流出。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述挤压板的移动速度为0.1mm/s～20mm/s。
9.一种散热器，其特征在于，所述散热器的制备原料包括如权利要求1至6任一项所述的金属基复合材料。
10.根据权利要求9所述的散热器，其特征在于，所述散热器具有表面与底面，所述底面与被散热对象相接触，所述底面的热膨胀系数与所述被散热对象的热膨胀系数相匹配。
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