一种金刚石/铜复合材料表面纯铜涂层制备方法

摘要

本发明涉及一种金刚石/铜复合材料表面铜涂层制备方法，属于材料表面处理技术领域。其特征在于将金刚石/铜复合材料基体脱脂除油后，喷砂处理，然后采用低温超音速火焰喷涂或冷喷涂在金刚石/铜复合材料表面制备纯铜涂层。本发明提供一种高效率低成本的在金刚石/铜复合材料基体上金属涂层制备方法，制备出与基体结合良好、热震性能优异、热导率高、低氧含量且焊接性能大幅改善的致密纯铜涂层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在电子封装散热基板用金刚石/铜复合材料基体上纯铜涂层制备方法，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

以金刚石为增强相、铜为基体材料的金刚石/铜复合材料，通过调节金刚石体积分数实现高热导和可调热膨胀，可满足系统散热和组装工艺的要求，是一种极具竞争力的新型电子封装材料。然而，现有方法制备的金刚石/铜复合材料，其表面一般裸露着大量的金刚石。金刚石与一般的金属之间有很高的界面能，其表面不易被金属及焊料所浸润，导致无法与其他材料进行连接，严重阻碍其在电子封装行业的应用。已有研究者提出在金刚石/铜复合材料表面镀覆一层金属保护层的设想，表面覆盖的金属层既要与复合材料基体结合牢固，其自身又必须具有耐高温、抗氧化和导热好等特性，还要与焊料润湿性良好。通过在裸露的金刚石颗粒表面镀覆一层金属，使复合材料获得连续、均匀的表面，克服裸露金刚石颗粒对焊接性的不利影响。

国内外对金刚石/铜复合材料表面镀覆金属保护层的报道很少，化学镀镍是目前最常用金刚石/铜复合材料表面金属化处理方法。化学镀镍金属化后，金刚石/铜表面润湿性得到提高。一般金属材料，如铜、铝、不锈钢等，通过电镀或化学镀容易实现镍镀层的沉积。然而，镀层与金刚石界面不能够形成碳化物，因此镀层与金刚石之间的结合力相对较弱，经过焊接后连接强度也很难达到要求。同时，化学镀镍的热导率很低，约为4.396~5.652Wm^-1K^-1。将表面镀镍的金刚石/铜复合材料与陶瓷进行焊接后，层状镀镍层的厚度会对整体导热性能产生影响。而且，化学镀镍层对于基体材料的表面原有缺陷和粗糙形貌几乎没有任何整平和掩盖的作用，只有在少缺陷和表面粗糙度较低的基体材料表面上才能获得高质量的化学镀镍层，因此在镀前要对金刚石/铜复合材料表面进行磨抛，以降低材料镀后的表面粗糙度。

金属铜的热导率较高，且容易加工，与一般焊料润湿良好，为此亟需开发在金刚石/铜复合材料表面制备致密低氧含量纯铜涂层的方法。

发明内容

本发明的目的是解决金刚石/铜表面化学镀镍方法制备的镀层与基体结合力差、热导率低及焊接性能不够理想的问题，提供一种高效率低成本的在金刚石/铜复合材料基体上金属涂层制备方法，制备出与基体结合良好、热震性能优异、热导率高、低氧含量且焊接性能大幅改善的致密纯铜涂层。

本发明的技术方案由以下步骤组成：金刚石/铜复合材料基体脱脂除油后，喷砂处理，砂粒材料为46#锆刚玉，喷砂压力为0.1~0.3MPa，喷距150~200mm；采用低温超音速火焰喷涂制备铜涂层，氧气流量750~1200 l/min，煤油流量10~20 l/h，燃烧室压力1.2~1.9MPa，未送粉条件下，利用焰流对样品预热1~2次，喷涂粉末为纯度≥99.9%的纯铜粉，粒度5~50μm，氮气为送粉载气，送粉速率10~100g/min；喷距150~300mm，走枪速度500~1500mm/s，涂层沉积速率10~60μm/遍；或采用冷喷涂制备铜涂层，氮气或氦气作为工作气体，气体温度200~800℃，气体压力1.5~4MPa，喷涂粉末为纯度≥99.9%的铜粉，粒度5~50μm，送粉速率10~100g/min；喷距10~40mm，走枪速度100~1500mm/s，涂层沉积速率10~60μm/遍。

本发明采用低温超音速火焰喷涂或冷喷涂制备纯铜涂层，其特点在于：

1. 本发明采用铜作为金刚石/铜复合材料表面金属化材料，铜具有价格经济、容易加工、热导率高及耐蚀性能良好等一系列优点，在电子封装领域有着巨大的发展潜力。

2. 纯铜涂层与钎料润湿性能好，能显著提高材料可焊性，可解决金刚石/铜复合材料与陶瓷基片的连接问题。

3. 纯铜涂层组织致密含氧量低，具有优良的散热性能和良好的密封气密性，能抵御外界的高温、高湿、腐蚀、辐射等不良环境对电子器件的影响。

4. 低温超音速火焰喷涂和冷喷涂技术制备涂层沉积效率高、速度快、成本低且制备方法绿色环保。

综上所述，本发明所制备的纯铜涂层是金刚石/铜复合材料表面金属化的重要途径，制备方法简单可靠，经济环保。

附图说明

图1低温超音速火焰喷涂制备的纯铜涂层截面形貌。

图2冷喷涂制备的纯铜涂层截面形貌。

具体实施方式

本发明所述的纯铜涂层采用低温超音速火焰喷涂或冷喷涂技术制备。下面对本发明的实施例作详细说明，实施例中给出了实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

低温超音速火焰喷涂制备纯铜涂层。

1. 金刚石/铜复合材料样品脱脂除油后安装于喷涂夹具中；

2. 喷涂前对试样喷涂面进行吹砂处理，砂粒材料为46#锆刚玉，吹砂压力控制在0.2MPa，喷距180mm，吹砂后试样表面粗糙度均匀一致，并用压缩空气吹走表面残留的砂粒；

3. 采用低温超音速火焰喷涂制备纯铜涂层，氧气流量780 l/min，煤油流量13 l/h；燃烧室压力为1.56MPa，未送粉条件下，利用焰流对样品预热一次，喷涂粉末为纯度≥99.9%的雾化铜粉，粒度15~35μm，氮气为送粉载气，送粉速率50g/min；喷距220mm，走枪速度1000mm/s，涂层沉积速率50μm/遍，喷涂12遍，涂层厚度600μm。

获得的涂层氧含量为0.3wt%，孔隙率为1%，热导率为266W/m.K。涂层截面形貌如图1所示。

实施例2

冷喷涂制备纯铜涂层。

步骤1和2同实施例1。

3. 采用氮气作为工作气体，气体温度为400℃，气体压力为2MPa，喷涂粉末为纯度≥99.9%的雾化铜粉，粒度5~20μm，送粉速率25g/min；喷距20mm，走枪速度800m/s，涂层沉积速率40μm/遍，喷涂4遍，涂层厚度160μm。

获得的涂层氧含量0.2%，孔隙率0.3%，热导率为275W/m.K。涂层截面形貌如图2所示。

实施例3

步骤1和2同实施例1。

3. 采用低温超音速火焰喷涂制备纯铜涂层，氧气流量900 l/min，煤油流量20 l/h；燃烧室压力为1.35MPa，未送粉条件下，利用焰流对样品预热一次，喷涂粉末为纯度≥99.9%的雾化铜粉，粒度10~30μm，氮气为送粉载气，送粉速率20g/min；喷距180mm，走枪速度1500mm/s，涂层沉积速率25μm/遍，喷涂2遍，涂层厚度50μm。

获得的涂层氧含量为0.2wt%，孔隙率为1%，热导率为255W/m.K。

实施例4

步骤1和2同实施例1。

3. 采用氦气作为喷涂气体，气体温度为250℃，气体压力为2.5MPa，喷涂粉末为纯度≥99.9%的雾化铜粉，粒度5~20μm，送粉速率20g/min；喷距24mm，走枪速度500m/s，涂层沉积速率30μm/遍，喷涂2遍，涂层厚度60μm。

获得的涂层氧含量0.2%，孔隙率0.2%，热导率为280W/m.K。

本发明中，涂层氧含量采用TC600氧氮测定仪测量，涂层孔隙率采用图像分析软件UTHSCSA Image Tool定量测定，涂层热导率采用LFA 447闪光导热仪测试。