專利名稱：高導(dǎo)熱低膨脹復(fù)合材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備工藝，尤其涉及一種具有高導(dǎo)熱性與低膨脹特性的復(fù)合材料及其制造方法，可用作超大規(guī)模集成電路以及電子器件基片材料，屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
在電子器件中，材料的散熱性與熱應(yīng)力引起的熱失效問(wèn)題，已受到越來(lái)越多的材料科學(xué)家的關(guān)注。研制一種同時(shí)具有高導(dǎo)熱性與低膨脹特性的復(fù)合材料，成為超大規(guī)模集成電路基片材料研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，C.Verdon and D.C.Dunand等提出Cu/ZrW2O8體系的復(fù)合材料有可能同時(shí)具備上述特性(Scripta Mater.36，1997，p1075)。由于Cu是高導(dǎo)熱性材料，而ZrW2O8是一種在很大的溫度范圍內(nèi)(0.3～1050K)，具有較大的各向同性負(fù)膨脹系數(shù)(-8.9×10-6)的材料(J.S.O.Evans，T.A.Mary，A.W.Sleight，et al.Chem.Mater.8，1996，p2809)，這兩者相結(jié)合制備的復(fù)合材料，被期望同時(shí)具有高導(dǎo)熱性與低膨脹特性。然而，這兩種材料的復(fù)合存在著燒結(jié)問(wèn)題。由于ZrW2O8在室溫下是亞穩(wěn)的，在750℃左右將發(fā)生分解，而且在700℃左右燒結(jié)時(shí)，Cu與ZrW2O8將發(fā)生反應(yīng)，生成多種氧化物，這些問(wèn)題將使ZrW2O8失去負(fù)膨脹行為，達(dá)不到預(yù)期的目的，而選擇低溫?zé)Y(jié)往往達(dá)不到致密化。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)的不足，提出一種新的復(fù)合材料制備工藝，使制得的復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱、低膨脹的特性，更適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。
為實(shí)現(xiàn)這樣的發(fā)明目的，本發(fā)明在技術(shù)方案中以高導(dǎo)熱特性銅Cu與負(fù)膨脹特性立方相鎢酸鋯ZrW2O8為主要原料，摻雜微量超細(xì)石墨粉C，采用微波燒結(jié)工藝，獲得Cu/ZrW2O8反應(yīng)程度較低的致密度相對(duì)較高的復(fù)合材料。
微波燒結(jié)工藝是近些年來(lái)材料制備與研究中相當(dāng)有效的方法，其原理是利用高頻微波能與材料的介電耦合效應(yīng)，迅速整體加熱材料，具有升溫速度快，熱滯后性小等特點(diǎn)，這種材料加工方法還能在較低的燒結(jié)溫度下完成致密化過(guò)程。本發(fā)明的技術(shù)方案中采用這一工藝，在較低的溫度下完成化學(xué)鍍Cu包覆ZrW2O8粉體的致密化過(guò)程，并有效地控制了Cu與ZrW2O8反應(yīng)，制造的復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱、低膨脹特性。
本發(fā)明制備復(fù)合材料的主要原料為采用濕化學(xué)法自制的α-ZrW2O8粉末(純度約為98％，含小于1％左右的ZrO2，粒度分布為0.5～2.5μm)為原料，(α-ZrW2O8粉末的制備工藝見(jiàn)孔向陽(yáng)等《硅酸鹽學(xué)報(bào)》27卷，(1999)p265)。
采用化學(xué)鍍的方法在α-ZrW2O8粉體表面包覆銅層，使銅層盡可能包覆α-ZrW2O8粉體的表面，形成含體積分?jǐn)?shù)40～50％左右的復(fù)合粉體。
市售超細(xì)石墨粉，粒徑范圍在1～5μm。
本發(fā)明采用的工藝步驟如下1、將銅包覆α-ZrW2O8復(fù)合粉體與少量超細(xì)石墨粉(體積分?jǐn)?shù)約為0.2～0.5％)，濕法球磨24小時(shí)混合均勻，干燥過(guò)200目篩，在不銹鋼模具中冷壓成型，再冷等靜壓，壓力為200～400Mpa。
2、將試樣置于2.45GHz、2KW的微波爐中，采用Al2O3作埋粉，以隔絕空氣，防止試樣高溫下劇烈氧化。微波爐腔體為多模腔，模式為TE103，微波經(jīng)波導(dǎo)自下而上輻射。實(shí)驗(yàn)采用微波混合加熱的模式，在Al2O3埋粉中均勻分布SiC陶瓷片，利用SiC室溫下強(qiáng)吸收微波能，快速升溫的特點(diǎn)，加熱坯體試樣。利用光纖測(cè)溫傳感器測(cè)量試樣表面溫度。通過(guò)調(diào)節(jié)微波磁控管的輸出功率，以及腔體的反射功率，控制微波爐腔體內(nèi)電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和溫度，改變用作吸收微波能的負(fù)載SiC陶瓷片的多少以控制微波腔體內(nèi)的升溫速度。實(shí)驗(yàn)中，控制微波磁控管的輸出功率在1KW以上，盡量減小反射功率，使燒結(jié)溫度560～620℃，保溫時(shí)間為30～60分鐘。用阿基米德排水法測(cè)定試樣密度，試樣的相結(jié)構(gòu)用X射線衍射儀測(cè)定，用熱分析膨脹儀與熱導(dǎo)率儀，測(cè)定樣品從室溫到200℃溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率。
采用上述工藝，獲得的Cu/ZrW2O8復(fù)合材料相對(duì)密度為92～95％，主要成分為Cu與ZrW2O8，但還含有一定的銅的氧化物和鋯氧化物，以及一些未知相。Cu/ZrW2O8復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能特征如下熱膨脹系數(shù)為6.8×10-6/K，導(dǎo)熱系數(shù)為114W/m·K，密度為7.12～7.22g/cm3，氣孔率為5～8％左右；主要相成分為銅含量占35～42vol.％，立方相ZrW2O8占50～60vol.％，其他氧化物約占5～8vol.％；三點(diǎn)彎曲室溫強(qiáng)度180±40MPa。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明采用上述工藝制備的Cu/ZrW2O8復(fù)合材料，具有較高的致密度，在室溫到200℃有很好的熱穩(wěn)定性，并具有高熱導(dǎo)、低膨脹等特性，是一種適用于大規(guī)模集成電路用的基片的新型復(fù)合材料。
下面通過(guò)具體的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的效果。
實(shí)施例1采用化學(xué)鍍的工藝，將銅包覆自制的α-ZrW2O8制成復(fù)合粉體，其中銅含量約占42vol.％。取200g Cu/ZrW2O8復(fù)合粉體過(guò)篩200目，與過(guò)篩200目超細(xì)石墨粉0.5g混合，加750ml無(wú)水乙醇，濕法球磨24小時(shí)，混合均勻，干燥過(guò)200目篩，在不銹鋼模具中冷壓成型，再冷等靜壓，壓力為250MPa，試樣的尺寸為φ10×40mm2。
將試樣置于2.45GHz、2KW的多模腔微波爐中，采用Al2O3作埋粉，以隔絕空氣，在Al2O3埋粉中均勻分布SiC陶瓷片，作微波吸收耦合負(fù)載。控制微波磁控管的輸出功率在1KW以上，使吸收功率保持在0.8KW，光纖測(cè)溫傳感器測(cè)量試樣表面溫度為580℃，保溫時(shí)間為30分鐘，關(guān)閉微波磁控管微波能輸出，出爐后空氣冷卻。
實(shí)驗(yàn)測(cè)得試樣具有很好的熱穩(wěn)定性，其特征性能平均值如表1。
表1方案一微波燒結(jié)Cu/ZrW2O8復(fù)合材料的綜合性能性能密度氣孔 主要相成分 室溫強(qiáng)度 熱膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率(g/cm3) 率 (MPa) (×10-6/K) (W/m·K)銅38vol.％，平均 7.16 6％ α-ZrW2O856 194 6.8 114值vol.％，其他6vol.％實(shí)施例2采用另一種化學(xué)鍍的工藝，將銅包覆自制的α-ZrW2O8制成復(fù)合粉體，其中銅含量約占48vol.％。將Cu/ZrW2O8復(fù)合粉體采用微波燒結(jié)，其工藝過(guò)程與特點(diǎn)與實(shí)施例一相同。制得的復(fù)合材料試樣的特征性能如表2。
表2方案二微波燒結(jié)Cu/ZrW2O8復(fù)合材料的綜合性能性能密度 氣孔主要相成分 室溫強(qiáng)度 熱膨脹系數(shù) 熱導(dǎo)率(g/cm3)率 (MPa)(×10-6/K)(W/m·K)銅41vol.％，平均 7.16 8％ α-ZrW2O852184 7.3 125值vol.％，其他7vol.％
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)熱低膨脹復(fù)合材料，其特征在于以高導(dǎo)熱特性銅Cu與負(fù)膨脹特性立方相鎢酸鋯ZrW2O8為主要原料，摻雜微量超細(xì)石墨粉C，其中銅Cu在復(fù)合材料中所占的體積分?jǐn)?shù)為40～60％。
2.一種如權(quán)利要求1所說(shuō)的高導(dǎo)熱低膨脹復(fù)合材料的制備工藝，其特征在于采用化學(xué)鍍工藝，在ZrW2O8粉體表面包覆銅層，使復(fù)合粉體中Cu所占的體積分?jǐn)?shù)為40～60％；將復(fù)合粉體摻雜微量超細(xì)石墨C粉，所占的體積分?jǐn)?shù)為0.2～0.5％，球磨混合過(guò)篩，采用冷等靜壓成型，成型壓力為200～400Mpa；再采用微波燒結(jié)的工藝，燒結(jié)溫度控制在560～620℃，保溫30～60分鐘。
全文摘要
一種高導(dǎo)熱低膨脹復(fù)合材料及其制備工藝,以高導(dǎo)熱特性銅Cu與負(fù)膨脹特性鎢酸鋯ZrW
文檔編號(hào)C22C29/00GK1262336SQ00111439
公開(kāi)日2000年8月9日 申請(qǐng)日期2000年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月13日
發(fā)明者孔向陽(yáng), 曾振鵬, 吳建生 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)