阅读说明：本技术 结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法 (Method for preparing diamond/copper composite material with high surface finish by combining ultrasonic electrodeposition ) 是由 武高辉 芶华松 林秀 陈国钦 王平平 修子扬 杨文澍 张强 于 2020-07-20 设计创作，主要内容包括：结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法,涉及一种金刚石/铜复合材料的制备方法。目的是解决现有的高导热金刚石铜复合材料表面光洁度低的问题。方法：准备模具,涂覆脱模剂并干燥；在模具型腔内表面沉积打底层,再镀覆一层铜膜；将镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒装填于型腔内,进行浸渗。本发明最终所得金刚石/铜复合材料的表面光洁度显著提高,制备工艺简单,可重复性好,产品稳定,批次一致性好。所得产品能够直接应用于大功率微波功放器件及大规模集成电路的热沉、散热片或外壳。本发明适用于高表面光洁度金刚石/铜复合材料的制备。(A method for preparing a diamond/copper composite material with high surface finish by combining ultrasonic electrodeposition relates to a method for preparing a diamond/copper composite material. The purpose is to solve the problem that the surface finish degree of the existing high-heat-conductivity diamond copper composite material is low. The method comprises the following steps: preparing a mould, coating a release agent and drying; depositing a priming layer on the inner surface of the die cavity, and plating a copper film; the metal film-coated single-crystal diamond particles are filled in a cavity and impregnated. The diamond/copper composite material finally obtained by the method has the advantages of obviously improved surface smoothness, simple preparation process, good repeatability, stable product and good batch consistency. The obtained product can be directly applied to heat sinks, radiating fins or shells of high-power microwave power amplifiers and large-scale integrated circuits. The invention is suitable for preparing the diamond/copper composite material with high surface smoothness.)

结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的 方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石/铜复合材料的制备方法。

背景技术

随着高热导率金属基复合材料对尺寸精度和配合精度要求的提高，开发出具有高表面光洁度和高热导率的金刚石铜复合材料的制备技术已迫在眉睫。目前金属基复合材料如金刚石/铜复合材料等提高表面光洁度的方法主要依靠后期表面研磨实现，表面研磨容易引入杂质和切削应力，且所需劳动强度大。由于金刚石铜复合材料表面有金刚石，非常坚硬，研磨难度和成本非常高。

现有未经表面加工处理(制备态)的高导热金刚石铜复合材料的表面粗糙度2～3.6微米，无法满足激光通讯、电子封装等技术领域对散热材料高光洁度的需求。通过多次研磨的方法提高复合材料的表面光洁度，例如专利号为CN201611226063.4、名称为《一种适用于金刚石/铜复合材料的表面加工方法》，该专利方法对研磨技术要求较高，消耗人力成本。

发明内容

本发明为了解决现有的高导热金刚石铜复合材料表面光洁度低的问题，提出一种结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法。

本发明结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、准备模具；模具的要求为：型腔内表面的粗糙度小于6.3微米，且热导率大于90W/mK，且25℃～100℃温度区间内平均热膨胀系数低于6×10^-6/K；

二、在模具型腔内表面涂覆脱模剂并干燥；

三、采用磁控溅射方法在模具型腔内表面沉积0.8～1μm厚的铜膜作为打底层，再采用超声电沉积方法在打底层表面镀覆一层厚度为1～3mm、表面粗糙度低于1.5μm的铜膜；

四、将镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒装填于步骤三所得模具的型腔内，得到预制体；

五、将预制体放置于坩埚中，将块状的基体合金置于坩埚中预制体上部，将坩埚放置于气压浸渗炉中；

在保护气氛下将模具预热至800～1000℃，然后将块状的基体合金加热至1100～1300℃并保温1～2h，此时块状的基体合金融化；维持模具温度为800～1000℃并将气压浸渗炉内气压提升至0.5～8MPa，保压5～30min；

六、保压阶梯式冷却，脱模后清洗掉表面BN颗粒，并进行研磨或者抛光，即获得高表面光洁度金刚石铜复合材料。

本发明原理及有益效果为：

1、本发明对高导热金刚石/铜复合材料的气压浸渗制备方法进行改进，提供一种高表面光洁度高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，适用于高体积分数金属基复合材料的制备。解决现有制备技术中金属基复合材料表面光洁度差的问题。本发明制备工艺简单，可重复性好，产品稳定，批次一致性好。所得产品能够直接应用于大功率微波功放器件及大规模集成电路的热沉、散热片或外壳，尤其适用于带凸起或台阶的高导热金刚石铜复合材料热沉零部件的制备。

2、本发明方法制备的金刚石/铜复合材料中增强体的体积分数60～80％，热导率750～870W/(mK)，热扩散系数320～367mm²/s，表面为130mm×130mm的复合材料样件的表面粗糙度达到0.05～0.1μm，光洁度提高。

3、本发明通过控制电沉积工艺在模具型腔内表面得到高表面光洁度的细晶铜层，步骤五炉内的模具温度控制在800～1000℃，铜的熔点1085℃，此时通过电沉积方法镀覆在模具上的铜膜在浸渗过程中不会流下来，又不会由于温度太低使浸渗的铜凝固过快而形成缺陷；在模具型腔内表面镀覆铜膜能够提高材料制备态的表面光洁度，最终所得金刚石/铜复合材料的表面光洁度也显著提高。脱模后仅需要简单抛光，因此具有高效、省时、省力，节约人力成本的优点，属于一种高表面光洁度金属基复合材料的原位制备方法。

附图说明

图1是模具结构示意图，图中1为填粉口，2为型腔，3为模具，4为覆铜层；

图2是实施例1制备的金刚石/铜复合材料表面原子力显微镜形貌照片；

图3是对比例1制备的金刚石/铜复合材料样件研磨之后表面原子力显微镜形貌照片。

具体实施方式

：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：本实施方式结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、准备模具；模具的要求为：型腔内表面的粗糙度小于6.3微米，且热导率大于90W/mK，且25℃～100℃温度区间内平均热膨胀系数低于6×10^-6/K；选择热导率较高的模具有利于均温；

二、在模具型腔内表面涂覆脱模剂并干燥；

三、采用磁控溅射方法在模具型腔内表面沉积0.8～1μm厚的铜膜作为打底层，再采用超声电沉积方法在打底层表面镀覆一层厚度为1～3mm、表面粗糙度低于1.5μm的铜膜；

四、将镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒装填于步骤三所得模具的型腔内，得到预制体；

五、将预制体放置于坩埚中，将块状的基体合金置于坩埚中预制体上部，将坩埚放置于气压浸渗炉中；

在保护气氛下将模具预热至800～1000℃，然后将块状的基体合金加热至1100～1300℃并保温1～2h，此时块状的基体合金融化；维持模具温度为800～1000℃并将气压浸渗炉内气压提升至0.5～8MPa，保压5～30min；

六、保压阶梯式冷却，脱模后清洗掉表面BN颗粒，并进行研磨或者抛光，即获得高表面光洁度金刚石铜复合材料。

1、本实施方式对高导热金刚石/铜复合材料的气压浸渗制备方法进行改进，提供一种高表面光洁度高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，适用于高体积分数金属基复合材料的制备。解决现有制备技术中金属基复合材料表面光洁度差的问题。本实施方式制备工艺简单，可重复性好，产品稳定，批次一致性好。所得产品能够直接应用于大功率微波功放器件及大规模集成电路的热沉、散热片或外壳，尤其适用于带凸起或台阶的高导热金刚石铜复合材料热沉零部件的制备。

2、本实施方式方法制备的金刚石/铜复合材料中增强体的体积分数60～80％，热导率750～870W/(mK)，热扩散系数320～367mm²/s，表面为130mm×130mm的复合材料样件的表面粗糙度达到0.05～0.1μm，光洁度提高。

3、本实施方式通过控制电沉积工艺在模具型腔内表面得到高表面光洁度的细晶铜层，步骤五炉内的模具温度控制在800～1000℃，铜的熔点1085℃，此时通过电沉积方法镀覆在模具上的铜膜在浸渗过程中不会流下来，又不会由于温度太低使浸渗的铜凝固过快而形成缺陷；在模具型腔内表面镀覆铜膜能够提高材料制备态的表面光洁度，最终所得金刚石/铜复合材料的表面光洁度也显著提高。脱模后仅需要简单抛光，因此具有高效、省时、省力，节约人力成本的优点，属于一种高表面光洁度金属基复合材料的原位制备方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述脱模剂为BN颗粒的酒精分散液；酒精中BN颗粒的浓度为0.05g/mL。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤四所述单晶金刚石颗粒尺寸为100～400μm，单晶金刚石颗粒镀覆的金属薄膜为Ti膜或W膜。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四所述镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒的体积为模具型腔的60～80％。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四所述金属薄膜厚度为50～200nm。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤五所述基体合金为纯铜或铜合金。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五块状所述基体合金的体积为预制体的20～30倍。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤六所述保压阶梯式冷却的工艺为：当炉内温度高于300℃时，在2～5MPa下以4℃/min冷却速度冷却；当炉内温度为300～100℃时，在2～5MPa下以2℃/min速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时卸压并自然冷却至室温。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是：步骤六所述保压阶梯式冷却的工艺为：当炉内温度高于300℃时，在3MPa下以4℃/min冷却速度冷却；当炉内温度为600℃时，在3MPa下以2℃/min速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时卸压并自然冷却至室温。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六所述保压阶梯式冷却的工艺为：当炉内温度高于300℃时，在5MPa下以4℃/min冷却速度冷却；当炉内温度为300时，在5MPa下以2℃/min速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时卸压并自然冷却至室温。

实施例1：

本实施例结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、准备模具；模具的要求为：型腔内表面的粗糙度为6.2微米，且热导率为95W/mK，且25℃～100℃温度区间内平均热膨胀系数为5.66×10^-6/K；模具材质为陶瓷；

二、在模具型腔内表面涂覆脱模剂并干燥；所述脱模剂为BN颗粒的酒精分散液；酒精中BN颗粒的浓度为0.05g/mL；酒精的浓度为99.7wt.％；干燥后酒精挥发，脱模剂颗粒附着在模具型腔内表面。

三、采用磁控溅射方法在模具型腔内表面沉积0.8μm厚的铜膜作为打底层，再采用超声电沉积方法在打底层表面镀覆一层厚度为1mm、表面粗糙度低于1.5μm的铜膜；

四、将镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒装填于步骤三所得模具的型腔内，得到预制体；

所述单晶金刚石颗粒尺寸为100μm，单晶金刚石颗粒镀覆的金属薄膜为Ti膜，金属薄膜厚度为50nm；镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒的体积为模具型腔的60％；

五、将预制体放置于坩埚中，将块状的基体合金置于坩埚中预制体上部，将坩埚放置于气压浸渗炉中；在保护气氛下将模具预热至800℃，然后将块状的基体合金加热至1100℃并保温2h，此时块状的基体合金融化；维持模具温度为800℃并将气压浸渗炉内气压提升至1MPa，保压10min；此时使熔融的块状的基体合金向下浸渗入预制体中的金刚石颗粒；维持模具温度为800℃，未达到铜膜的熔点，能够保证铜膜完整不熔化；

所述基体合金为纯铜；块状的基体合金的体积为预制体的20倍；

六、保压阶梯式冷却，脱模后清洗掉表面BN颗粒，并进行抛光，即获得高表面光洁度金刚石铜复合材料；

所述保压阶梯式冷却的工艺为：当炉内温度高于300℃时，在5MPa下以4℃/min冷却速度冷却；当炉内温度为300℃以下100℃以上时，在4MPa下以2℃/min速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时卸压并自然冷却至室温。

所得构件经过清洗表面BN颗粒后，构件直接裸露的是厚度为1mm不含金刚石颗粒的铜层，易于研磨或者抛光。现有技术制备的金刚石/铜复合材料表面含有金刚石，硬度高，研磨或者抛光难度非常高。

图1是模具结构示意图，图中1为填粉口，2为型腔，3为模具，4为覆铜层；

图2是实施例1制备的金刚石/铜复合材料表面原子力显微镜形貌照片；图中能够看出10μm范围内材料表面最高处为103.7nm，最低处为-81.2nm，表面粗糙度小于200nm；

本实施例方法制备的金刚石/铜复合材料中增强体的体积分数65％，热导率750W/(mK)，热扩散系数320mm²/s，表面为130mm×130mm的复合材料样件的表面粗糙度Ra值达到0.057μm(表面粗糙度仪测量值)，光洁度提高。

对比例1：

本对比例高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、准备模具；模具的要求为：型腔内表面的粗糙度为6.2微米，且热导率为95W/mK，且25℃～100℃温度区间内平均热膨胀系数为5.66×10^-6/K；模具材质为陶瓷；

二、在模具型腔内表面涂覆脱模剂并干燥；所述脱模剂为BN颗粒的酒精分散液；酒精中BN颗粒的浓度为0.05g/mL；酒精的浓度为99.7wt.％；干燥后酒精挥发，脱模剂颗粒附着在模具型腔内表面。

三、将镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒装填于步骤三所得模具的型腔内，得到预制体；

所述单晶金刚石颗粒尺寸为100μm，单晶金刚石颗粒镀覆的金属薄膜为Ti膜，金属薄膜厚度为50nm；镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒的体积为模具型腔的60％；

四、将预制体放置于坩埚中，将块状的基体合金置于坩埚中预制体上部，将坩埚放置于气压浸渗炉中；在保护气氛下将模具预热至800℃，然后将块状的基体合金加热至1100℃并保温2h，此时块状的基体合金融化；

所述基体合金为纯铜；块状的基体合金的体积为预制体的20倍；

五、保压阶梯式冷却，脱模后清洗掉表面BN颗粒；

所述保压阶梯式冷却的工艺为：当炉内温度高于300℃时，在5MPa下以4℃/min冷却速度冷却；当炉内温度为300℃以下100℃以上时，在4MPa下以2℃/min速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时卸压并自然冷却至室温。

所得构件经过清洗表面BN颗粒后，研磨之后表面粗糙度Ra值为1.115μm。

图3是对比例1制备的金刚石/铜复合材料样件研磨之后表面原子力显微镜形貌照片；图中能够看出10μm范围内材料表面最高处为536.3nm，最低处为-556.2nm，表面粗糙度大于1μm。

实施例2：

本发明结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、准备模具；模具的要求为：型腔内表面的粗糙度为6.0微米，且热导率为100W/mK，且25℃～100℃温度区间内平均热膨胀系数为3.60×10^-6/K；模具材质为陶瓷；

二、在模具型腔内表面涂覆脱模剂并干燥；所述脱模剂为BN颗粒的酒精分散液；酒精中BN颗粒的浓度为0.05g/mL；酒精的浓度为99.7wt.％；干燥后酒精挥发，脱模剂颗粒附着在模具型腔内表面。

三、采用磁控溅射方法在模具型腔内表面沉积1μm厚的铜膜作为打底层，再采用超声电沉积方法在打底层表面镀覆一层厚度为3mm、表面粗糙度低于1.5μm的铜膜；

四、将镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒装填于步骤三所得模具的型腔内，得到预制体；

所述单晶金刚石颗粒尺寸为400μm，单晶金刚石颗粒镀覆的金属薄膜为W膜，金属薄膜厚度为200nm；镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒的体积为模具型腔的65％；

五、将预制体放置于坩埚中，将块状的基体合金置于坩埚中预制体上部，将坩埚放置于气压浸渗炉中；在保护气氛下将模具预热至1000℃，然后将块状的基体合金加热至1300℃并保温1h，此时块状的基体合金融化；维持模具温度为1000℃并将气压浸渗炉内气压提升至8MPa，保压30min；此时使熔融的块状的基体合金向下浸渗入预制体中的金刚石颗粒；维持模具温度为1000℃，未达到铜膜的熔点，能够保证铜膜完整不熔化；

所述基体合金为含铬2.0wt.％的铜铬合金；块状的基体合金的体积为预制体的30倍；

六、保压阶梯式冷却，脱模后清洗掉表面BN颗粒，并进行抛光，即获得高表面光洁度金刚石铜复合材料；

所述保压阶梯式冷却的工艺为：当炉内温度高于300℃时，在4MPa下以4℃/min冷却速度冷却；当炉内温度为300～100℃时，在3MPa下以2℃/min速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时卸压并自然冷却至室温。

所得构件经过清洗表面BN颗粒后，构件直接裸露的是厚度为3mm不含金刚石颗粒的铜层，易于研磨或者抛光。现有技术制备的金刚石/铜复合材料表面含有金刚石，硬度高，研磨或者抛光难度非常高。

实施例3：

本发明结合超声电沉积制备高表面光洁度金刚石/铜复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、准备模具；模具的要求为：型腔内表面的粗糙度为5.5微米，且热导率为105W/mK，且25℃～100℃温度区间内平均热膨胀系数为4.55×10^-6/K；模具材质为石墨；

二、在模具型腔内表面涂覆脱模剂并干燥；所述脱模剂为BN颗粒的酒精分散液；酒精中BN颗粒的浓度为0.05g/mL；酒精的浓度为99.7wt.％；干燥后酒精挥发，脱模剂颗粒附着在模具型腔内表面。

三、采用磁控溅射方法在模具型腔内表面沉积1μm厚的铜膜作为打底层，采用超声电沉积方法在打底层表面镀覆一层厚度为1mm、表面粗糙度低于1.5μm的铜膜；

四、将镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒装填于步骤三所得模具的型腔内，得到预制体；

所述单晶金刚石颗粒尺寸为100μm，单晶金刚石颗粒镀覆的金属薄膜为Ti膜，金属薄膜厚度为50nm；镀覆金属薄膜的单晶金刚石颗粒的体积为模具型腔的70％；

五、将预制体放置于坩埚中，将块状的基体合金置于坩埚中预制体上部，将坩埚放置于气压浸渗炉中；在保护气氛下将模具预热至800℃，然后将块状的基体合金加热至1100℃并保温2h，此时块状的基体合金融化；维持模具温度为800～1000℃并将气压浸渗炉内气压提升至3MPa，保压28min；此时使熔融的块状的基体合金向下浸渗入预制体中的金刚石颗粒；维持模具温度为800℃，未达到铜膜的熔点，能够保证铜膜完整不熔化；

所述基体合金为纯铜；块状的基体合金的体积为预制体的20倍；

六、保压阶梯式冷却，脱模后清洗掉表面BN颗粒，并进行研磨或者抛光，即获得高表面光洁度金刚石铜复合材料；

所述保压阶梯式冷却的工艺为：当炉内温度高于300℃时，在3MPa下以4℃/min冷却速度冷却；当炉内温度为300以下100℃以上时，在2MPa下以2℃/min速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时卸压并自然冷却至室温。

所得构件经过清洗表面BN颗粒后，构件直接裸露的是厚度为1mm不含金刚石颗粒的铜层，易于研磨或者抛光。现有技术制备的金刚石/铜复合材料表面含有金刚石，硬度高，研磨或者抛光难度非常高。