石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片及其制备方法

摘要

本发明提供了一种以铜为基体，以定向排列的石墨片为导热增强相的复合散热材料及其制备方法，应用于集成电子元件的封装材料领域。复合材料基体选用纯铜粉，导热增强相选用横向尺寸较大的人工合成石墨片。原料粉末需经过混料机混合均匀，加入由聚乙烯醇缩丁醛和乙醇溶液配制成的粘结剂，混合均匀，将混合浆料流延成型，经干燥，裁剪，堆垛和脱胶后，采用双向热压烧结得到石墨片在基体中分层平行排列于散热方向取向分布的铜基复合材料基板，这种复合材料在平行于石墨片排列方向的热导率相对于垂直石墨片排列方向高4‑8倍，平行于石墨片排列方向的热导率相对于未添加石墨片的纯铜材料提高了1.1‑1.5倍，线膨胀系数与硅电子元件相匹配。

权利要求

1.一种石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片的制备方法，其特征在于：人工合成石墨片作为导热增强相，将原材料粉混合均匀后，经流延成型，干燥，裁剪，堆垛，脱胶，双向热压烧结制成了片状石墨定向层状排列，呈层状结构的导热各向异性复合材料；

采用的基体材料为电解纯铜粉，粒径5-10μm，人工合成石墨片片径1-2mm，厚度为20-50μm，混合粉中电解纯铜粉体积分数为30～70％，人工合成石墨片体积分数为30～70％；粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛和乙醇配制的混合液，其中聚乙烯醇缩丁醛质量分数为10％，乙醇质量分数为90％；原材料粉末在V型混料机中干混9h后，加入粘结剂充分搅拌为均匀浆料。

2.如权利要求1所述石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片的制备方法，其特征在于流延成型步骤为：将浆料倒入流延装置中，调节刀片高度为0.2-0.7mm，流延带的运行速率为4.0-4.4m/min，以此保证片状的石墨颗粒能在已成型的膜平面上充分的铺展开。

3.如权利要求1所述石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片的制备方法，其特征在于干燥步骤为：将已成型的流延膜置于干燥箱内，干燥温度设置为25-45℃，完全干燥后根据实际要求进行裁剪和堆垛。

4.如权利要求1所述石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片的制备方法，其特征在于脱胶过程在纯氮气氛中进行，以防止复合材料膜氧化，升温速率为5℃/min，至400℃保温2h。

5.如权利要求1所述石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片的制备方法，其特征在于将裁剪和堆垛后的产品置于石墨模具中进行双向热压烧结，双向热压烧结在纯氮气气氛中进行，升温速率为5℃/min，至950℃-1000℃保温5-10min，双向热压压力为5-15MPa。

6.如权利要求1所述石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片的制备方法，其特征在于石墨片定向层状排列的铜基复合材料需用扫描电子显微镜进行定向排列率检测，即在规定的平行排列方向上，石墨片排列旋转角度低于5°的横向排列率在80％以上，石墨片破碎率低于5％。

说明书

石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型石墨层状排列的铜基复合材料及其制备方法，提供了一种利用导热各向异性的片状石墨为原料，结合特殊制备工艺制备出层状结构散热元件材料的制备方法，属于小型化集成电子封装材料领域。技术背景

[0002] 集成电路板的散热性能是保证各类仪器、生活电器电子设备正常运行的重要指标之一，紧贴在集成电路电子元件外的封装基板是电子元件散热的主要部件。集成电路在运作过程中产生的热量极大，未能及时散开会导致集成电路工作效率降低甚至烧毁，另外电子元件封装基板与电子元件线膨胀系数要有良好匹配，这样才能保证集成电路持续稳定的运作。

[0003] 随着电子工业迅猛发展，电子信息技术对电子产品的小型化、便携化、多功能、低成本提出了更高要求，这需要集成电路的更密集化，为满足此要求，电子封装材料有关键作用。传统意义上，基板材料主要分为陶瓷基板、金属基板和有机高分子基板。陶瓷基板如氧化铝、氧化铍、氮化铝等，其气密性较好，机械强度高，但烧结精度差且价格昂贵，一般应用在特殊场合；有机高分子基材料，主要为热固性塑料，其抗潮效果好且耐蚀，但其热导率较低的问题还有待解决；金属电子封装基板常用的包括铜基、铝基复合材料等，导热性非常好，并且可通过在基体中添加增强相改善了材料与电子元件线膨胀系数不匹配的问题。

[0004] 铜基复合材料中的铜，一方面作为导热基体，另一方面起着粘结及固定石墨片的作用；通过采用新型的流延成型工艺使石墨片定向排列在基体平面上，极大增强石墨片排列方向的导热性，另外，可制得大面积复合材料，易于加工切割。

[0005] 根据近十年的文献检索，在文献[1]中，采用流延法制备了高分子基的石墨片复合材料，但该种材料难以进行电加工切削，在文献[2]，[3]中，利用金刚石和石墨纤维制备了铜基复合材料，但该种复合材料的定向导热性较差；在文献[4]中，采用了单一热压烧结法制备了铜基石墨片复合材料，但该种复合材料中石墨片定向排列率较低，难以达到定向高导热性能。

发明内容

[0006] 为改善上述材料性能缺陷，本发明中选用铜粉和石墨片作为原料，相对于高分子基复合材料有更高的导热性和更好的电加工性能，采用流延成型工艺，可提高石墨片的定向排列率，采用双向热压烧结工艺，可提高复合材料的致密度，得到导热性能更好的材料。

[0007] 一种石墨片定向层状排列的铜基复合材料散热片的制备方法，其特征在于：用纯铜粉作为基体材料，人工合成石墨片作为导热增强相，将原材料粉混合均匀后，经流延成型，干燥，裁剪，堆垛，脱胶，双向热压烧结制成了片状石墨定向层状排列，呈层状结构的导热各向异性复合材料。

[0008] 进一步的采用的基体材料为电解纯铜粉，粒径5-10μm，人造石墨片片径1-2mm，厚度为20-50μm，混合粉中铜粉体积分数为30～70％，石墨片体积分数为30～70％；粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛和乙醇配制的混合液，其中聚乙烯醇缩丁醛质量分数为10％，乙醇质量分数为90％；原材料粉末在V型混料机中干混9h后，加入粘结剂充分搅拌为均匀浆料。

[0009] 进一步流延成型步骤为：将浆料倒入流延装置中，调节刀片高度为0.2-0.7mm，流延带的运行速率为4.0-4.4m/min，以此保证片状的石墨颗粒能在已成型的膜平面上充分的铺展开。

[0010] 进一步干燥步骤为：将已成型的流延膜置于干燥箱内，干燥温度设置为25-45℃，完全干燥后根据实际要求进行裁剪和堆垛。

[0011] 进一步脱胶过程在纯氮气氛中进行，以防止复合材料膜氧化，升温速率为5℃/min，至400℃保温2h。

[0012] 进一步将裁剪和堆垛后的产品置于石墨模具中进行热压烧结，热压烧结在纯氮气气氛中进行，升温速率为5℃/min，至950-1000℃保温5-10min，双向热压压力为5-15MPa。

[0013] 进一步石墨片定向层状排列的复合材料需用扫描电子显微镜进行定向排列率检测，即在规定的平行排列方向上，石墨片排列旋转角度低于5°的横向排列率在80％以上，石墨片破碎率低于5％。

[0014] 制得的样品用扫描电子显微镜进行定向排列率分析，定向排列率用取向度κ和破碎率η的标定，其中，κ的定义式为：

[0015] κ＝Z/Z0×100％   (1)

[0016] 式中，Z0为视场中石墨片总数，Z为视场中为平行排列的石墨片数(取向角偏差为±3°者)。η定义为：

[0017] η＝M/M0×100％   (2)式中，M0为视场中石墨片总数，M为视场中破碎的石墨片数。

[0018] 复合材料的石墨片定向排列的取向度大于80％，石墨片破碎率低于5％的复合材料为合格品。具体制备工艺流程如图1，流延成型过程见图2。

[0019] 本发明的优点

[0020] 1.制备的新型层状结构的导热各向异性的铜基复合材料散热片，热导率较纯铜材料散热片提高1.1-1.5倍，密度较纯铜材料降低25％-55％，对于材料的轻量化研究有重大意义。

[0021] 2.采用的流延成型工艺使石墨片在铜基体中定向排列性更好，对进一步提高复合材料的各向异性导热性能有重大意义。

[0022] 3.该工艺在一次制备过程中可得到大面积复合材料散热片，操作方法简单易行，易于电加工切削，可进行大量快速工业化生产。

附图说明

[0023] 图1为复合材料散热片制备工艺流程示意图，

[0024] 图2为流延成型工艺示意图，

[0025] 1.刮刀；2.粘结剂；3.石墨片；4铜粉

具体实施方式

[0026] 实施例1

[0027] 一种高导热电子封装复合材料基板，原料混合粉由5-10μm的电解铜粉末和片径1-2mm，厚度20-50μm的人工合成石墨片组成，纯铜粉末和石墨片的体积分数分别为60％和
40％。

[0028] 将上述各组分按比例配料，在微型混料机中混合9h成为均匀粉体，加入聚乙烯醇缩丁醛与乙醇质量比为1:9的粘结剂，充分搅拌为均匀浆料，将浆料倒入流延装置中经流延成膜，在400℃下脱胶2h后，热压烧结时以5℃/min升温至1000℃双向加压烧结，保温10min，加压压力为10MPa，得到铜基电子封装复合材料。沿平行于石墨片方向的导热系数达500w/m·k。

[0029] 实施例2

[0030] 一种高导热电子封装复合材料基板，原料混合粉由5-10μm的电解铜粉末和片径1-2mm，厚度20-50μm的人工合成石墨片组成，纯铜粉末和石墨片的体积分数分别为50％和
50％。

[0031] 将上述各组分按比例配料，在微型混料机中混合9h成为均匀粉体，加入聚乙烯醇缩丁醛与乙醇质量比为1:9的粘结剂，充分搅拌为均匀浆料，将浆料倒入流延装置中经流延成膜，在400℃下脱胶2h后，热压烧结时以5℃/min升温至1000℃双向加压烧结，保温10min，加压压力为15MPa，得到铜基电子封装复合材料。沿平行于石墨片方向的导热系数达550w/m·k。

[0032] 参考文献

[0033] [1]ZHOU S,Yuan Z H U,DU H,et al.Preparation of oriented graphite/polymer composite sheets with high thermal conductivities by tape casting[J].New Carbon Materials,2012,27(4):241-249.[2]Guillemet T,Geffroy P M,Heintz J M,et al.An innovative process to fabricate copper/diamond composite films for thermal management applications[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2012,43(10):1746-1753.

[0034] [3]Geffroy P M,Chartier T,Silvain J F.Preparation by tape casting and hot pressing of copper carbon composites films[J].Journal of the European Ceramic Society,2007,27(1):291-299.

[0035] [4]Liu Q,He X B,Ren S B,et al.Thermophysical properties and microstructure of graphite flake/copper composites processed by electroless copper coating[J].Journal of Alloys and Compounds,2014,587:255-259.