1.本实用新型涉及导热材料技术领域，尤其涉及一种复合构件。
背景技术：2.散热问题严重影响功率半导体、激光二极管、大功率led、超算芯片等半导体功率器件工作效率、可靠性和使用寿命。金刚石是自然界中热导率最高的物质，常温下热导率为2200～2600w/(m
·
k)，热膨胀系数约为0.86
×
10-6
/k，且在室温是绝缘体。金属铜的热导率高、价格低、容易加工，是最常用的封装材料，其热导率为 400w/(m
·
k)，热膨胀系数为17
×
10
－6
/k，符合电子封装基片材料低热膨胀系数和高热导率的使用性能要求。因此，以金刚石为增强相，铜为基体材料的金刚石/铜复合材料具有较好的导热潜力。目前的金刚石/铜复合材料有固相成形和液相成形两种方式，控制温度、时间、压力等条件来制备，常用的制备方法包括高温高压法、放电等离子烧结、粉末冶金法、液相浸渗法等，工艺复杂，实施难度大、成本高，并且得到的金刚石/铜复合材料中金刚石的分布情况是随机而不可控的，也就是说，作为增强相的金刚石在基体材料中分布不均匀，复合材料内部界面多且复杂，阻碍了热量的高效传递，复合材料的局部导热性较差，复合材料的热导率提高有限。
技术实现要素：3.本实用新型所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种复合构件，解决目前技术中的复合材料的金刚石在基体材料中分布不均匀，导致复合材料局部导热较差，影响整体导热性能的问题。
4.为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案是：
5.一种复合构件，包括复合层，所述复合层包括基材层和金刚石颗粒，所述基材层为金属材料层，所述金刚石颗粒嵌入在基材层表面上，金刚石颗粒与基材层表面组合构成平整表面，并且金刚石颗粒沿着基材层表面有序分布。本实用新型所述的复合构件中的金刚石颗粒有序分布在基材层上，从而有效提高导热均匀性，避免金刚石颗粒集中在基材层中的局部而导致导热不均，并且金刚石颗粒时沿着基材层表面进行分布的，能够有效简化复合构件内部界面复杂程度，提高热量的在复合构件内部的传递效率，传统技术中的复合构件的大部分金刚石颗粒都在基体材料内部，能与发热器件直接接触的金刚石颗粒很少，而本技术的复合构件的金刚石颗粒与基材层表面组合构成平整表面，也就是说金刚石颗粒裸露在复合构件表面，金刚石颗粒能有效的与发热器件接触，从而有效增大金刚石颗粒与发热器件的接触面积，从而从根本上的提高导热性能。
6.进一步的，所述金刚石颗粒表面的一个平面与基材层的表面齐平，最大限度的提高复合层上露出的金刚石颗粒的面积，增大金刚石颗粒与发热器件的直接接触面积，有效提高导热性能。
7.进一步的，所述基材层采用铜层或铜基复合材料层，铜层或铜基复合材料层为整体的板材，致密度高，有利于提高力学性能和导热性能。
8.进一步的，所述金刚石颗粒的粒径小于等于5mm，所述基材层的厚度小于等于 10mm。
9.进一步的，所述基材层的两侧表面分别设置所述金刚石颗粒，提高金刚石的体积分数，有效提高导热性能。
10.进一步的，所述金刚石颗粒在所述基材层的两侧表面错位排布，在实现基材层两侧表面都有金刚石颗粒的基础上减小基材层的厚度，更有效的提高金刚石颗粒的体积分数，提高复合构件的热导率。
11.进一步的，所述金刚石颗粒通过压力压入基材层表面内，加工方便、效率高、成本低，金刚石颗粒能充分与基材层结合，金刚石颗粒与基材层之间没有粘结剂，改善金刚石颗粒与基材层的界面结合状态，基材层为致密度高的板材，有效提高导热性能。
12.进一步的，所述复合层层叠设置有若干层，可用于加工成各种形状尺寸，满足各种不同的需求。
13.进一步的，相邻复合层的基材层烧结为一体，复合构件的相邻复合层没有实际的分界线，提高复合构件的致密度，减少界面热阻，提高整体的导热性能。
14.与现有技术相比，本实用新型优点在于：
15.本实用新型所述的复合构件中的金刚石颗粒有序分布在基材层上，有效提高导热均匀性，金刚石颗粒与基材层之间充分结合而没有粘结剂，优化复合构件内部界面状况，提高热量的传递效率，增大了金刚石颗粒与发热器件的直接接触面积，有效提高整体的导热性能，提高热导率，复合构件的热导率能达到600～1000w/(m
·
k)。
附图说明
16.图1为本实用新型的复合构件的结构示意图；
17.图2为本实用新型的复合构件的另一种结构示意图；
18.图3为基材层的两面设置金刚石颗粒的复合构件结构示意图；
19.图4为基材层的单面设置金刚石颗粒并多层复合层叠加的复合构件的结构示意图；
20.图5为基材层的两面设置金刚石颗粒并多层复合层叠加的复合构件的结构示意图；
21.图6为压制模具与布料器的结构示意图；
22.图7为在基材层表面排布好金刚石颗粒后移除布料器的示意图；
23.图8为压头下压以将金刚石颗粒压入基材层的结构示意图。
24.其中：
25.复合层1、基材层2、金刚石颗粒3、布料器4、布料孔41、气孔42、底座5、压头6。
具体实施方式
26.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.本实用新型实施例公开的一种复合构件，金刚石均匀分布在基体材料上，提高复合构件的导热均匀性，有效改善复合构件的界面结合状态，减小界面热阻，有效提高复合构件整体的热导率。
28.如图1至图5所示，一种复合构件，主要包括复合层1，所述复合层1包括基材层2和金刚石颗粒3，所述基材层2为预先制备好的片材状的金属材料层，致密度高、力学性能好，能够保障实现优异的热导率，具体的，基材层2为铜层或铜基复合材料层，所述的铜层即采用纯铜制成，而铜基复合材料层则是以铜为要成分并掺杂银、铝、钕等元素，所述金刚石颗粒3嵌入在基材层2表面上，金刚石颗粒3 与基材层2表面组合构成平整表面，也就是说，金刚石颗粒3裸露于基材层2的表面并且金刚石颗粒3与基材层2表面齐平以构成光洁度高、平面度好的平整表面，并且金刚石颗粒3沿着基材层2表面有序分布，优选是金刚石颗粒3沿着基材层2 表面均匀分布，能有效提高金刚石颗粒的体积分数，从而提高复合构件的整体热导率。
29.在本实施例中，所述金刚石颗粒3为单晶颗粒，其形状包括有四面体、六面体、八面体、十二面体等，也就是说，所述金刚石颗粒3的表面必会有平面，如图2所示，所述金刚石颗粒3嵌入在基材层2表面上时，所述金刚石颗粒3表面的一个平面与基材层2的表面齐平，也就说，最大限度的增大金刚石颗粒3在基材层2表面上的裸露面积，从而有效增大金刚石颗粒与发热器件的直接接触面积，进而有效提高导热性能。
30.在本实施例中，所述基材层2的厚度小于等于10mm，所述金刚石颗粒3的粒径小于等于5mm，优选的是，基材层2的厚度为0.1～1mm，所述金刚石颗粒3的粒径为0.05～0.5mm，根据实际的应用需求，灵活选择不同厚度的基材层以及不同粒径的金刚石颗粒，并且控制金刚石颗粒3沿着基材层2表面分布的间距，从而灵活控制金刚石颗粒的体积分数来调节复合构件的整体热导率，满足各种不同的需求。
31.可以是在所述基材层2的单侧表面布置所述的金刚石颗粒3，如图3所示，也可以是所述基材层2的两侧表面分别布置所述金刚石颗粒3，基材层2两侧表面上的金刚石颗粒3分别都沿着基材层2表面均匀分布，并且所述金刚石颗粒3在所述基材层2的两侧表面错位排布，也就是说，基材层2一侧表面上的一个金刚石颗粒 3与基材层2另一侧表面上的一个金刚石颗粒3的连线不垂直于基材层2表面的方向上，采用此种方式能在实现基材层两侧表面都有金刚石颗粒的基础上减小基材层的厚度，从而进一步的提高复合构件的整体热导率，也就是说，基材层的厚度可以小于等于金刚石颗粒3粒径的两倍，而如果基材层2两侧表面的金刚石颗粒3相互正对，则基材层的厚度必须大于金刚石颗粒3粒径的两倍，这样会限制金刚石颗粒的体积分数，从而限制提高复合构件的整体热导率。
32.所述复合构件可以是仅包含一层所述复合层1，结构尺寸小，能满足各种高集成化、微型化的应用需求，如图4和图5所示，所述复合构件还可以包含若干层的复合层1，也就是说，复合层1层叠设置有若干层，相邻复合层1的基材层2烧结为一体，从而消除相邻复合层1之间的界面，也就是说，相邻复合层1并不存在实际的分界，优化复合构件的界面结合状态，提高热量的传递效率，提高复合构件的整体导热性能，采用此种方式能使复合构件构成较大尺寸的结构，易于加工成各种形状尺寸，满足各种应用需求。
33.在本实施例中，所述基材层2为预先制备好的片材状的铜层或铜基复合材料层，致密度高、力学性能好，所述金刚石颗粒3通过压力直接压入基材层2表面内，金刚石颗粒3与
基材层2的结合性好，无需设置粘结剂，优化复合构件内部界面状况，提高热量的传递效率，从而保证导热率。
34.具体的，用于制作上述复合构件的制备方法，步骤包括：
35.s1、如图6所示，金刚石颗粒3通过布料器4有序排布在基材层2的表面上，所述布料器4上开设有与金刚石颗粒3的粒径匹配的若干布料孔41，所述布料孔41 沿着基材层2的表面有序排布，每个布料孔41容纳一个金刚石颗粒3；
36.所述布料器4有两种结构，一种结构是布料孔41为贯穿布料器4上下表面的通孔，所述的布料器4等同与筛网，基材层2平放，然后将布料器4放置在基材层2 上表面，然后将金刚石颗粒3铺设到布料器4上，金刚石颗粒3通过布料孔下落到基材层2上表面，从而金刚石颗粒3均匀排布在基材层2的上表面，然后移除布料器4以及布料器4上多余的金刚石颗粒3；如图6所示的另一种结构，布料孔41为槽孔，布料器4上开设有连通至布料孔41的气孔42，气孔42的口径小于金刚石颗粒3的粒径，气孔42连接负压装置，通过负压以将金刚石颗粒3吸附在布料孔41 中，然后布料器4放置至基材层2上表面，负压装置停止，则金刚石颗粒3自动下落到基材层2上表面，同样的金刚石颗粒3均匀排布在基材层2的上表面，采用布料器4进行金刚石颗粒3的排布效率高、精度高，能确保金刚石颗粒3按照要求有序而均匀的排布在基材层2的表面，从而确保最终得到的复合构件中具有均匀分布的金刚石颗粒3，保障复合构件的导热均匀性；
37.s2、如图7至图8所示，采用压制模具将金刚石颗粒3压入基材层2的表面内，得到半成品一，所述的压制模具包括底座5和压头6，基材层2平放在底座5上，压头6下压以将金刚石颗粒3压入基材层2的表面内，基材层2采用的材料为纯铜或者铜基复合材料，硬度低于金刚石颗粒3，所述压头6采用硬度大于金刚石颗粒3 的材质，从而保证压头6的使用寿命同时也保障压制质量，所述压制模具的压头6 具有与基材层2的上表面平行的平面，所述压制模具的压头6下压至与基材层2的表面齐平，也就是说，将金刚石颗粒3完全压入基材层2的表面内，并且使得金刚石颗粒3的顶部与基材层2的表面齐平，能使金刚石颗粒3与基材层2充分的结合，并且保障复合构件的表面平整度，保障复合构件在使用时与发热器件的接触面积，提高导热效果，并且当压制模具的压头6下压至与基材层2的表面齐平时，即便金刚石颗粒3的粒径存在偏差，也能保障所有的金刚石颗粒充分嵌入到基材层2中，也就是所有金刚石颗粒的最顶处都与基材层2表面齐平；
38.通过上述方式得到单面具有金刚石颗粒3的复合构件，而对于两侧表面都有金刚石颗粒3的复合构件，可以是先加工一面然后将半成品一翻面再加工另一面，也可以是同时两面进行压制加工，具体的，在底座5上通过布料器有序排布一层金刚石颗粒3，移除布料器之后将基材层2平放在该层金刚石颗粒3之上，再在基材层2 的上表面通过布料器有序排布一层金刚石颗粒3，然后压头6下压以将金刚石颗粒3 同时压入基材层2的上下表面内，得到两侧表面都有金刚石颗粒3的半成品一；
39.s3、金刚石颗粒3压入基材层2时会产生凹坑，而金刚石颗粒3通常呈四面体、六面体、八面体、十二面体等，从而金刚石颗粒3的口径是中部大两端小，金刚石颗粒3压入基材层2时产生的凹坑与金刚石颗粒3中部的尺寸匹配，但会大于金刚石颗粒3的顶部尺寸，也就是说，金刚石颗粒3压入到基材层2表面之后，所产生的凹坑与金刚石颗粒3的顶部之间会具有间隙，该间隙会严重减小复合构件与发热器件的有效接触面积，也就是说复合构件难以
与发热器件充分接触，从而严重影响导热效果，也就是说，即便增大了复合构件中金刚石颗粒的体积分数也难以提高复合构件的导热性能，并且金刚石颗粒3压入基材层2时会对基材层2产生挤压，挤压也会导致凹坑的边缘隆起，从而也会影响复合构件的表面光滑平整度，进而影响复合构件与发热器件的有效接触面积，同样影响导热效果，因此需要消除凹坑与金刚石颗粒3之间的间隙并且提高复合构件的表面平整度，提高金刚石颗粒3与基材层2的结合状况，改善复合构件的界面结合状态，减小界面热阻，增大复合构件与发热器件的有效接触面积，从而提高导热效果；
40.在本实施例，采用基材层2的材料填充半成品一上的金刚石颗粒3压入基材层 2时所产生的凹坑与金刚石颗粒3之间的间隙，得到半成品二，之所以采用采用基材层2的材料进行填充是因为，便于填充用的材料才经过烧结后与基材层2融为一体，改善复合构件的界面复杂程度，从而提高导热性能；
41.具体的，采用基材层2的材料填充半成品一上凹坑与金刚石颗粒之间的间隙的方式包括方法一、方法二和方法三其中一种；
42.所述方法一包括，将基材层2的材料热喷涂到半成品一的表面，然后进行烧结以得到半成品二；
43.所述方法二包括，将粉状的基材层2的材料涂覆到半成品一的表面，然后进行烧结以得到半成品二；
44.所述方法三包括，将半成品一浸入熔化的基材层2材料的液体预设时间后提出以得到半成品二，熔化的基材层2材料的液体会浸入并填充半成品一上凹坑与金刚石颗粒之间的间隙，浸入的预设时间为0.1～1秒。
45.所述方法一和方法二中在真空环境中进行烧结或者气体保护环境下进行烧结，所述气体保护环境为氮气等惰性环境或者是氢气等还原气体环境，再或者是氮气与氢气的混合气体环境，真空环境和气体保护环境能够有效避免金刚石颗粒和基材层在烧结过程中发生氧化，通过烧结使得填充到间隙的材料与基材层2充分的结合为一体，优化复合构件的界面结合状态，提高热量的传递效率，提高复合构件的整体导热性能，将半成品一放置在烧结模具中进行烧结，所述烧结模具与半成品一的尺寸相匹配，从而在烧结过程中对半成品一的尺寸结构进行限位，避免烧结过程中基材层2软化形变而导致得到的半成品二变形严重，确保最终得到的复合构件的结构和尺寸满足要求，烧结时的温度为400～1300℃,烧结时间为2～10min，确保填充到间隙的材料能与基材层2有效融为一体，优化界面结合状况。
46.s4、填充了间隙得到的半成品二的表面是粗糙不平整的，难以与发热器件充分有效接触，从而导热性能差，并且金刚石颗粒3也会被填充用的材料所覆盖，从而金刚石颗粒3无法直接与发热器件接触，进而影响导热性能；
47.因此对半成品二进行磨削处理，使金刚石颗粒3露出，并且使金刚石颗粒3与基材层2组合构成平整表面，提高复合构件表面的光滑平整度，从而复合构件能与发热器件充分良好的接触，增大接触面积，并且金刚石颗粒3也充分露出，从而金刚石颗粒3与发热器件的接触面积大，更有效的提高导热性能，最终得到成品的复合构件。
48.以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干
改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
技术特征：1.一种复合构件，其特征在于，包括复合层(1)，所述复合层(1)包括基材层(2)和金刚石颗粒(3)，所述基材层(2)为金属材料层，所述金刚石颗粒(3)嵌入在基材层(2)表面上，金刚石颗粒(3)与基材层(2)表面组合构成平整表面，并且金刚石颗粒(3)沿着基材层(2)表面有序分布。2.根据权利要求1所述的复合构件，其特征在于，所述金刚石颗粒(3)表面的一个平面与基材层(2)的表面齐平。3.根据权利要求1所述的复合构件，其特征在于，所述基材层(2)采用铜层或铜基复合材料层。4.根据权利要求1所述的复合构件，其特征在于，所述金刚石颗粒(3)的粒径小于等于5mm，所述基材层(2)的厚度小于等于10mm。5.根据权利要求1所述的复合构件，其特征在于，所述基材层(2)的两侧表面分别设置所述金刚石颗粒(3)。6.根据权利要求5所述的复合构件，其特征在于，所述金刚石颗粒(3)在所述基材层(2)的两侧表面错位排布。7.根据权利要求1至6任一项所述的复合构件，其特征在于，所述金刚石颗粒(3)通过压力压入基材层(2)表面内。8.根据权利要求1至6任一项所述的复合构件，其特征在于，所述复合层(1)层叠设置有若干层。9.根据权利要求8所述的复合构件，其特征在于，相邻复合层(1)的基材层(2)烧结为一体。
技术总结本实用新型公开一种复合构件，包括复合层，所述复合层包括基材层和金刚石颗粒，所述基材层为金属材料层，所述金刚石颗粒嵌入在基材层表面上，金刚石颗粒与基材层表面组合构成平整表面，并且金刚石颗粒沿着基材层表面有序分布。本实用新型所述的复合构件中的金刚石颗粒有序分布在基材层上，有效提高导热均匀性，金刚石颗粒与基材层之间充分结合而没有粘结剂，优化复合构件内部界面状况，提高热量的传递效率，增大了金刚石颗粒与发热器件的直接接触面积，有效提高整体的导热性能，提高热导率。提高热导率。提高热导率。
技术研发人员：杨健 钟凯 王朝友 黄兴雨 邹辉 伍林麟
受保护的技术使用者：成都惠锋智造科技有限公司
技术研发日：2021.10.29
技术公布日：2022/7/5
