[0001] 本发明涉及一种可伐铜复合材料及其制备方法，属于可伐粉末增强铜基复合材料设计制备技术领域。

[0002] 随着微电子行业的迅猛发展，不管是封接材料还是电子封装热沉材料，对其导热性能都提出了更高的要求。而可伐合金的导热性能较差，尽管当前仍然将纯可伐合金用作大功率玻璃高密封接材料和高集成度的电子封装材料，但长时间服役会导致封接焊点高温失效或电子元器件过热而引起效率降低的现象，严重影响了器件的寿命与可靠性。金属Cu是除了Ag以外导电导热性能最优秀的金属材料，将Cu与可伐合金制成复合材料，则既可以获得可伐合金的低膨胀、可焊性强等优点，又可以使材料整体获得优良的导电导热性能。因此，可伐/铜复合材料能够解决纯可伐合金的低热膨胀系数与高热导率的矛盾，将大幅度提高大功率、高集成器件的寿命和可靠性。

[0003] 可伐铜复合材料制备的难点在于：可伐合金中的铁钴镍元素，尤其是镍元素，在铜中拥有非常高的固溶度，而在复合材料高温烧结成型过程中可伐合金与铜之间会发生界面扩散，溶质原子进入铜基体后会大幅度降低铜的热导率，从而使复合材料热导率降低。因此，如何抑制可伐铜复合材料中可伐与铜之间的界面扩散是制备高导热可伐铜复合材料的关键。

[0038] 本发明实施例和对比例所用可伐合金为4J29可伐(Kovar)合金。

[0039] 实施例1

[0040] 本实施例1预制备镀覆完整的可伐合金粉末，以及镀覆完整的可伐合金质量分数为60％、铜质量分数为40％的可伐铜复合材料。其制备工艺包括以下步骤：

[0041] (1)可伐合金粉、钨粉的准备及混合

[0042] 称取粒径为80～300μm的可伐合金粉100g，其显微组织如附图1a所示，取粒径为1～5μm的钨粉500g，混合均匀后装入刚玉坩埚中备用。

[0043] (2)真空炉高温处理

[0044] 将步骤(1)中刚玉坩埚中的粉末放入真空炉中，在温度为1100℃、真空度为9×10‑3
Pa的条件下保温4h后，随炉冷却。

[0045] (3)镀覆后可伐粉末与钨粉的分离

[0046] 将步骤(2)中真空高温处理后的混合粉末用目数为200的筛网进行分离，取筛网上面的粉末即可得到镀覆后的可伐粉末，其显微组织图如附图1b所示。

[0047] (4)复合材料粉末的准备

[0048] 按比例，取步骤(3)中得到的镀覆可伐粉末60g，另称取平均粒径为10μm的铜粉40g，混合均匀后得到可伐铜复合粉末。

[0049] (5)热压烧结

[0050] 将步骤(4)中的可伐复合粉末装入石墨模具中，在热压机上进行烧结成形，温度为800℃；保温时间为30min；升温速率为30℃/min；压力为40MPa。冷却脱模后得到可伐铜复合材料。其SEM显微组织及界面处的元素分布如附图2所示。

[0051] 对本实施例1得到的可伐铜复合材料进行性能检测，包括致密度、热导率和热膨胀系数，其中，致密度的测试方法是，利用阿基米德排水法测出实际密度，与理论密度的比值即为致密度。热导率的测试方法为，利用激光热导仪测出复合材料的热扩散系数，热扩散系数与密度和比热容的积即为复合材料的热导率。热膨胀系数的测试方法为，利用热膨胀仪直接测试得出。

[0052] 测试结果如下：

[0053] 所制备的可伐铜复合材料的密度为8.33g·cm‑3，致密度为99.1％，热导率为‑1 ‑1 ‑6 ‑185.4W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150℃)为9.8×10 K 。

[0054] 实施例1‑1，其他条件与实施例1相同，仅把烧结温度改成900℃，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.36g·cm ，致密度为99.4％，热导率为87.5W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为9.8×10 K 。

[0055] 实施例1‑2，其他条件与实施例1相同，仅把保温时间改成20min，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.29g·cm ，致密度为98.6％，热导率为82.9W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为9.8×10 K 。

[0056] 实施例1‑3，其他条件与实施例1相同，仅把烧结压力改成50MPa，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.35g·cm ，致密度为99.3％，热导率为86.8W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为9.8×10 K 。

[0057] 实施例2

[0058] 本实施例2预制备镀覆完整的可伐合金粉末，以及镀覆完整的可伐合金质量分数为70％、铜质量分数为30％的可伐铜复合材料。其制备工艺包括以下步骤：

[0059] (1)可伐合金粉、钨粉的准备及混合

[0060] 称取粒径为80～300μm的可伐合金粉100g，取粒径为1～5μm的钨粉400g，混合均匀后装入刚玉坩埚中备用。

[0061] (2)真空炉高温处理

[0062] 将步骤(1)中刚玉坩埚中的粉末放入真空炉中，在温度为1050℃、真空度为2×10‑2
Pa的条件下保温5h后，随炉冷却。

[0063] (3)镀覆后可伐粉末与钨粉的分离

[0064] 将步骤(2)中真空高温处理后的混合粉末用目数为200的筛网进行分离，取筛网上面的粉末即可得到镀覆后的可伐粉末。

[0065] (4)复合材料粉末的准备

[0066] 按比例，取步骤(3)中得到的镀覆可伐粉末70g，另称取平均粒径为10μm的铜粉30g，混合均匀后得到可伐铜复合粉末。

[0067] (5)热压烧结

[0068] 将步骤(4)中的可伐复合粉末装入石墨模具中，在热压机上进行烧结成形，温度为900℃；保温时间为20min；升温速率为50℃/min；压力为50MPa。冷却脱模后得到可伐铜复合材料。

[0069] 对本实施例2得到的可伐铜复合材料进行性能检测，测试结果如下：

[0070] 所制备的可伐铜复合材料的密度为8.22g·cm‑3，致密度为98.7％，热导率为‑1 ‑1 ‑6 ‑166.5W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150℃)为8.8×10 K 。

[0071] 实施例2‑1，其他条件与实施例2相同，仅把烧结温度改成800℃，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.18g·cm ，致密度为98.2％，热导率为64.1W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为8.7×10 K 。

[0072] 实施例2‑2，其他条件与实施例2相同，仅把保温时间改成30min，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.25g·cm ，致密度为99.0％，热导率为68.4W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为8.8×10 K 。

[0073] 实施例2‑3，其他条件与实施例2相同，仅把烧结压力改成30MPa，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.20g·cm ，致密度为98.4％，热导率为65.2W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为8.7×10 K 。

[0074] 实施例3

[0075] 本实施例3预制备镀覆完整的可伐合金粉末，以及镀覆完整的可伐合金质量分数为80％、铜质量分数为20％的可伐铜复合材料。其制备工艺包括以下步骤：

[0076] 步骤(1)～(3)与实施例1相同。

[0077] (4)复合材料粉末的准备

[0078] 按比例，取步骤(3)中得到的镀覆可伐粉末80g，另称取平均粒径为10μm的铜粉20g，混合均匀后得到可伐铜复合粉末。

[0079] (5)热压烧结

[0080] 将步骤(4)中的可伐复合粉末装入石墨模具中，在热压机上进行烧结成形，温度为950℃；保温时间为10min；升温速率为40℃/min；压力为50MPa。冷却脱模后得到可伐铜复合材料。

[0081] 对本实施例3得到的可伐铜复合材料进行性能检测，测试结果如下：

[0082] 所制备的可伐铜复合材料的密度为8.13g·cm‑3，致密度为98.5％，热导率为‑1 ‑1 ‑6 ‑155.4W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150℃)为8.3×10 K 。

[0083] 实施例3‑1，其他条件与实施例3相同，仅把烧结温度改成850℃，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.09g·cm ，致密度为98.1％，热导率为53.0W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为8.3×10 K 。

[0084] 实施例3‑2，其他条件与实施例3相同，仅把保温时间改成30min，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.18g·cm ，致密度为99.2％，热导率为58.7W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为8.3×10 K 。

[0085] 实施例3‑3，其他条件与实施例3相同，仅把烧结压力改成30MPa，烧结后复合材料‑3 ‑1 ‑1的密度为8.07g·cm ，致密度为97.8％，热导率为51.9W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150‑6 ‑1
℃)为8.3×10 K 。

[0086] 对比例1

[0087] 本对比例1不对可伐粉末进行表面镀覆，直接取与实施例1相同质量和比例的可伐粉与铜粉进行混合后烧结，烧结参数与实施例1相同，得到可伐铜复合材料，其SEM显微组织‑3与界面处的元素分布如附图3所示。经过性能检测，复合材料的密度为8.36g·cm ，致密度‑1 ‑1 ‑6 ‑1
为98.8％，热导率为40.6W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150℃)为9.1×10 K 。

[0088] 对比例2

[0089] 其他条件与实施例1相同，不同之处在于将可伐粉与钨粉的混合比例变成1：1，镀‑3覆后可伐粉的SEM形貌如附图4a所示。制备得到的可伐铜复合材料密度为8.24g·cm ，热导‑1 ‑1 6 ‑1
率为55.8W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150℃)为9.6×10‑K 。

[0090] 对比例3

[0091] 其他条件与实施例1相同，不同之处在于将可伐粉与钨粉的混合后的真空热处理温度变成950℃和1000℃，镀覆后可伐粉的SEM形貌如附图4b和c所示。利用1000℃后镀覆的‑3 ‑1 ‑1可伐粉制备得到的可伐铜复合材料密度为8.28g·cm ，热导率为43.7W·m ·K ，热膨胀‑6 ‑1
系数(室温至150℃)为9.3×10 K 。

[0092] 对比例4

[0093] 其他条件于实施例1相同，不同之处在于将可伐粉与钨粉的混合后的真空热处理温度变成1150℃，真空处理后的可伐与钨粉混合粉末烧结成块，导致镀覆后的可伐粉末没法分离出来，实验失败。

[0094] 对比例5

[0095] 其他条件与实施例1相同，不同之处在于将可伐粉与钨粉的混合后的真空热处理的时间改为2h，镀覆后可伐粉的SEM形貌如附图4d所示。制备得到的可伐铜复合材料密度为‑3 ‑1 ‑1 ‑6 ‑18.21g·cm ，热导率为48.6W·m ·K ，热膨胀系数(室温至150℃)为9.6×10 K 。