[发明专利]一种功能梯度金刚石/铝复合材料封装壳体的制备方法

说明书

本发明公开了一种功能梯度金刚石/铝复合材料封装壳体的制备方法，涉及金刚石/铝复合材料及其近净成形制备方法。具体步骤为：1、金刚石颗粒和铝粉按一定比例机械混合后压制成冷压坯料；2、将冷压坯料在液固分离模具系统中加热至液固混熔态；3、在压力的作用下液固混熔浆料完成充型过程，其中部分金属液相通过液固分离通道完成定向分离处理以调节腔体顶部金刚石所占体积比；4、剩余浆料在底端冷却系统作用下逐层凝固，在此过程中持续保压，最终制备金刚石/铝复合材料梯度封装壳体。壳体底部承载芯片部位金刚石含量高，热膨胀系数与芯片相匹配的同时具有高的热导率；墙体顶部金刚石含量低，保证与盖板材料的焊接相容性。

技术领域

本发明设计一种功能梯度金刚石/铝复合材料封装壳体的制备方法。

背景技术

与散热基板不同，封装壳体不同功能区域对于性能具有差异性要求。壳体底部承载芯片部位为保证与芯片相匹配，要求低的热膨胀系数和高的热导率；壳体墙体顶部为确保与封装盖板的可焊性，要求低的增强相含量。目前，封装壳体均由均匀块状试样机械加工制成，不仅造成原材料极大的浪费，对于性能差异性要求的难题依旧无法解决。

壳体底部金刚石含量高、墙体顶部金刚石含量低的功能梯度复合材料完美地解决了上述问题，并最大程度提高了封装组件的稳定性。功能梯度复合材料在保证结构完整性的同时能承受较大的温度梯度，消除/减少界面问题、降低热应力集中、降低残余应力等方面具有优势。

然而，金刚石/铝复合材料的常规制备方法主要有无压浸渗、气压浸渗、挤压铸造、真空热压、粉末冶金、放电等离子烧结等。这些方法均无法近净形制备梯度复合材料。金刚石作为自然界最硬的材料，加工成本高一直是限制其在电子封装领域应用的主要屏障。因此，开发金刚石/铝复合材料封装壳体近净成形技术，减少对壳体的机械加工，对推动新一代热管理材料的应用具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种近净成形制备金刚石/铝梯度复合材料的新方法。组织、性能呈梯度变化的金刚石/铝复合材料完美满足封装壳体不同功能区对于性能的特殊要求，最大程度降低机械加工。

一种功能梯度金刚石/铝复合材料封装壳体的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)冷压坯料制备

将金刚石颗粒与Al粉按一定比例进行机械混合，制成混合粉料；随后将混合粉料放入冷压模具中，制成块状冷压坯料；

(2)液固混熔浆料制备

将冷压坯料放入液固分离模具系统，加热制成金刚石颗粒与液态金属铝共存的液固混熔态浆料；或者将冷压坯料放入电炉，加热制成液固混熔浆料后放入液固分离模具系统；

(3)混熔浆料壳体制备

在异形压头的作用下，熔融态金属流动性领先于金刚石颗粒从底部反向挤压，壳体底部的金刚石含量高，墙体顶部金刚石含量低，形成金刚石颗粒呈梯度分布的混熔浆料壳体；壳体底部中心位置的金刚石含量通过壳体底部厚度计算，墙体顶部的金刚石颗粒所占体积比通过改变液相腔腔体体积大小调节。

(4)梯度复合材料制备

压头临近液固分离腔封闭位置时启动强制冷却系统，液固混熔浆料逐层凝固，其中压头持续提供压力，最终制成组织、性能呈梯度变化的金刚石/铝复合材料封装壳体。

进一步地，所述的步骤(1)，将金刚石颗粒与Al粉按1∶9～1∶1比例进行机械混合，混合时间1～48h制成混合粉料；随后将混合粉料放入冷压模具中，在20～400MPa的压强下保压0.5～5min，制成块状冷压坯料。步骤(1)所述冷压坯料中心部位的金刚石颗粒全部保留在壳体底部，因此最终金刚石/铝复合材料壳体底部金刚石颗粒的体积分数可通过最终产品厚度进行调节。

进一步地，为杜绝铝粉氧化，原材料的配料、机械混合及装入冷压模具过程均在真空手套箱中完成；机械混合过程在行星球磨机或3D混料机中完成。