[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。