專利名稱：一種鎢銅梯度熱沉材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鎢銅材料技術領域，特別是提供了一種鎢銅(W/Cu)梯度熱沉材料及其制備方法。
背景技術：
隨著開關電器向高壓、高容量的發(fā)展，以及電子器件不斷向小型化、大功率、高可靠性和低成本發(fā)展，半導體功率器件集成度的提高而導致高發(fā)熱率，迫切要求被廣泛使用的典型熱沉材料-鎢銅合金的導熱性能盡可能高(導熱率≥300W/(m·K))，含氣量低(漏氣率≤5×10-9Pa·m3/s)，并且具有較低的熱膨脹系數(熱膨脹系數(6～7)×10-6℃-1)，能與陶瓷基板相匹配(以下將與陶瓷基板接觸的面稱為封接面)。傳統的均質鎢銅合金很難能同時滿足高熱導率與低熱膨脹系數的要求。因此，需要在制備鎢銅材料的工藝方面另辟溪徑。如目前所提出的鎢銅功能梯度材料是解決上述問題的是一種較優(yōu)選擇。這種梯度材料，一面(散熱面)為高含量銅(保證高熱導率)，一面(封接面)為高含量鎢(保證低膨脹系數)，中間是逐漸過渡的鎢銅梯度層，它能夠很好地緩和鎢、銅熱性能不匹配造成的熱應力，又保持了鎢、銅各自的優(yōu)點。鎢銅梯度材料的性能明顯高于均質的鎢銅材料。
目前制備梯度材料的工藝主要有層鋪熱壓燒結、熔滲銅，以及等離子噴涂等技術。但這些方法均存在一定的缺點，如層鋪后熱壓燒結，工藝復雜，界面形狀與層厚變化大。如果燒結溫度高(1400℃以上)，銅容易溢出，出現“發(fā)汗”現象而導致成分發(fā)生偏移，并且高溫下尺寸變形嚴重?；罨瘡娀合酂Y由于加入微量活化元素導致復合材料的熱導率下降，對于熱導率要求高的電子材料來說受到局限。熔滲銅法的工藝復雜，成品率低，只能制備低銅含量的材料。等離子噴涂法制備的鎢銅梯度材料，存在孔隙率高，層間結合力低等缺陷，滿足不了上述高氣密性要求。
我國目前所需的高鎢鎢-銅材料全部依賴進口，價格較昂貴，每年需要花費大量外匯。因此解決高鎢鎢-銅復合材料的國產化問題有著重要的意義(見姜國圣，王志法，劉正春.高鎢鎢-銅復合材料的研究現狀.稀有金屬與硬質合金，1999，13639.)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種鎢銅(W/Cu)梯度熱沉材料及其制備方法，以簡化工藝，制備性能穩(wěn)定、可連續(xù)變化，一致性好的鎢銅梯度材料。
本發(fā)明是采用多坯料擠壓法一次成形具有3～5層的鎢銅梯度材料。多坯料擠壓法的基本原理如附圖所示，在擠壓筒1中開設3～5個坯料孔2(圖中所示為3個坯料孔的情形)，在各坯孔中放入不同成分的鎢銅預擠壓坯A、B、C，在一定溫度下(取決于多組元粘結劑的熔點)對其同時進行擠壓。特殊結構的擠壓模3控制坯料的流動，不同成分的坯料最終在?？?中壓合成一體被擠出，獲得多層梯度材料。各坯層間的結合強度由粘結劑保證，梯度坯體的層數由坯料孔的數量相應地決定。各坯層的厚度、寬度由擠壓模3和?？?的出口決定。采用多坯料擠壓法能精確控制各層中鎢銅成分的含量，可根據要求調整組分達到緩和熱應力目的。
本發(fā)明的鎢銅梯度材料組成及制備工藝為1.根據鎢銅梯度材料的使用要求，封接面需與陶瓷基板的熱膨脹系數相一致，以保證匹配封接。此層中的Cu含量可在10～20wt％范圍內選取，則熱膨脹系數在5.83～7.24×10-6℃-1。散熱層Cu的含量可相應提高，保證具有較高的熱導率。Cu的含量可在40～60wt％(WT為質量)之間選取，可保證散熱面的熱導率大于300W/(m·K)，以滿足大功率微波器件的要求。中間可加1～3層過渡層，在15～45wt％Cu的范圍內根據各層的熱膨脹失配小于25％的要求設計各中間層Cu的含量。
2.按照各層中的不同鎢銅成分，利用機械合金化技術制備不同比例的鎢銅納米晶粉，這種納米尺度的超細粉具有較高的燒結活性，可在低于常規(guī)鎢銅粉燒結溫度下達到高致密度。在球磨參數為球料比(5～50)∶1(質量比)，轉速150～250rpm的條件下，利用行星式球磨機高能球磨10～40小時后，可制備5～100nm的W-Cu超細粉。
3.球磨后的鎢銅超細粉與多組元熱塑性粘結劑混煉。這種粘結劑為改進型蠟基粘結劑，它既具有優(yōu)異的保形性，又能較容易徹底脫除。多組元粘結劑的主要成分為聚丙烯，硬脂酸，石蠟，花生油以及鄰苯二甲酸二辛酯改性劑。粘結劑的熔點范圍為150～170℃，保證擠壓時能在較寬的溫度范圍內進行。不同比例的鎢銅復合粉末需添加不同含量的粘結劑，在保證成形性能的前提下，應盡量降低粘結劑的含量。粘結劑的含量可在5～20wt％范圍內變化。
4.鎢銅超細粉與粘結劑經充分混煉均勻后，在60～80℃之間預壓成棒狀坯。預壓的作用和特點是加料快，準確無粉塵；降低壓縮率，可減小模具裝料室和模具高度；預壓料緊密，空氣含量少，傳熱快，縮短預熱和固化的時間，制品也不易出現氣泡。不同成分的棒狀坯分別放入各個坯料孔2中，然后對模具外部進行加熱，在150～170℃之間擠壓，擠壓速度1～50mm/min，能得到表面質量良好的多層W-Cu梯度毛坯。
5.得到的梯度毛坯需在特定的脫脂工藝下進行熱脫脂。根據多組元粘結劑中的不同組元的熱解溫度，采取如下的脫脂工藝以3～5℃/分鐘的升溫速度升溫到70℃后，以1～3℃/分鐘的升溫速度升溫到150℃，保溫0.5～3小時；再以1～3℃/分鐘的升溫速度升溫到300℃后，以1～5℃/分鐘的升溫速度升溫到450℃，保溫1～3小時；再以3～6℃/分鐘的升溫速度升溫到900℃，保溫0.5～2小時。工藝流程見圖2。
6.脫脂后的坯體在氫氣氣氛下1050～1350℃溫度范圍內進行一次燒結。采用氫氣是為了還原出納米粉末表面吸附的氧，保證材料的純度。根據需要還可采用采用熱壓進行二次燒結，也可進行氣壓燒結，進一步促進致密化，可有效防止梯度材料的后期燒結變形問題。
本發(fā)明的技術關鍵為①利用多坯料擠壓法一次成形多層W-Cu梯度材料，需要正確設計加工多層結構的擠壓模具，精確控制坯料的流動；②多層梯度材料的層數越多，各層的厚度就越小，當各層厚度小于1mm時，要保證每層坯成形的連續(xù)性，厚度均勻性，而且層與層之間有足夠的結合強度，需要研制和開發(fā)具有保形性和能徹底脫除的粘結劑，并確定粘結劑的合適添加量；③由于W和Cu兩金屬互不固溶，因此復合體的致密化受到很大影響，其致密化速度、組織結構分布和成分及尺寸的控制是該復合材料的致密化過程的關鍵問題。采用高能球磨處理方法可有效地增加致密化進程，提高致密化速度，并可降低燒結溫度，利于成分和尺寸的有效控制。
本發(fā)明的主要優(yōu)點是鎢銅梯度材料的各層厚度可調，各層成分可任意改變，最終調整燒結后的熱膨脹系數，使熱應力降到最低。梯度坯體經燒結后可得到高致密的、成分呈連續(xù)梯度變化的梯度功能材料。通過燒結，利用元素在高溫下的擴散作用，實現層與層之間成分的連續(xù)過渡，使界面的成分和組織連續(xù)變化，使材料的熱應力大為緩和。所制備的鎢銅梯度材料，具有封接面熱膨脹系數較低，能與陶瓷基板匹配封接，散熱面的熱導率接近純銅熱導率的特點。這種梯度材料可有效地改善電子基板的散熱性，滿足大電流的要求，同時又能保證與陶瓷基板的可靠封接，顯著提高大功率微波器件的性能。與傳統制備梯度材料的工藝相比，具有工藝相對簡單，成品均勻一致性高，利于實現批量化生產。


圖1是本發(fā)明的多坯料擠壓法原理圖。其中擠壓筒1中可開設3～5個坯料孔2，擠壓模3和4。鎢銅預擠壓坯A、B、C。
圖2是本發(fā)明的脫脂工藝流程圖。
具體實施例采用多坯料擠壓法制備3層鎢銅(W/Cu)梯度材料選用封接層成分為W-15wt％Cu，過渡層成分為W-25wt％Cu，散熱層成分為W-35wt％Cu。經理論計算表明，封接層W-15wt％Cu的熱膨脹系數較低與陶瓷基板接近，可保證與陶瓷基板的可靠封接；散熱層為W-35wt％Cu具有較高的熱導率，其理論熱導率為265W/(m·K)，能有效地改善電子基板的散熱性，提高半導體功率器件的性能；過渡層W-25wt％Cu緩和上下兩層之間的熱膨脹系數差。各層的熱失配較小，使熱應力得到緩和。
上述三種成分的WCu復合粉，在球料比為10∶1(質量比)，球磨機轉速為300rpm的條件下，經10小時的高能球磨后晶粒尺寸達到40nm。W-15wt％Cu，W-25wt％Cu和W-35wt％Cu三種納米晶粉分別與8wt％，10wt％和13wt％的粘結劑充分混煉均勻后，預壓成棒狀坯體分別放入圖1中的坯料孔中，對模具加熱。當溫度升至140℃時，以10mm/min的速度擠壓，獲得了表面質量良好，界面結合牢固的梯度坯體。經圖2的脫脂工藝脫脂后的坯體，在氫氣氣氛下1250℃溫度燒結后，測得坯體致密度達到98％，并且界面處成分連續(xù)變化。燒結的梯度坯體中各層的顯微組織皆為一種彌散均勻的鎢顆粒形成連續(xù)骨架，銅圍繞鎢顆粒間隙呈連續(xù)網絡分布結構。形成的鎢骨架決定熱膨脹系數的變化，網絡銅有利于熱導率的提高。
權利要求
1.一種鎢銅梯度熱沉材料，其特征在于封接面層中的Cu含量為10～20wt％，散熱層中Cu的含量為40～60wt％，封接面與散熱層中間為過渡層1～3層，過渡層中Cu的含量為15～45wt％。
2.一種按照權利要求1所述的鎢銅梯度熱沉材料制備方法，其特征在于由3～5層組成的多層梯度材料毛坯采用多坯料擠壓法一次成形。具體制備方法如下a.將各層中的不同成分的鎢銅料，在球磨參數為球料質量比為(5～50)∶1，轉速100～300rpm的條件下，利用行星式球磨機高能球磨10～40小時，制備5～100nm的W-Cu超細粉；b.球磨后的鎢銅超細粉與多組元熱塑性粘結劑混煉粘結劑為改進型蠟基粘結劑，成分為聚丙烯，硬脂酸，石蠟，花生油以及鄰苯二甲酸二辛酯改性劑；粘結劑的熔點范圍為150～170℃，粘結劑的含量為5～20wt％。c.鎢銅超細粉與粘結劑經充分混煉均勻后，在60～80℃之間預壓成棒狀坯，不同成分的棒狀坯分別放入各個坯料孔中，然后對模具外部進行加熱，在150～170℃之間擠壓，擠壓速度1～50mm/min，能得到表面質量良好的多層W-Cu梯度毛坯；d.將得到的梯度毛坯進行熱脫脂，脫脂工藝為以3～5℃/分鐘的升溫速度升溫到70℃后，以1～3℃/分鐘的升溫速度升溫到150℃，保溫0.5～3小時；再以1～3℃/分鐘的升溫速度升溫到300℃后，以1～5℃/分鐘的升溫速度升溫到450℃，保溫1～3小時；再以3～6℃/分鐘的升溫速度升溫到900℃，保溫0.5～2小時；e脫脂后的坯體在氫氣氣氛下1050～1350℃溫度范圍內進行燒結。
3.按照權利要求2所述的鎢銅梯度熱沉材料制備方法，其特征在于脫脂后的坯體在氫氣氣氛下1050～1350℃溫度范圍內一次燒結后，也可以采用熱壓或氣壓的方式進行二次燒結，以提高產品密度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鎢銅梯度熱沉材料及其制備方法。鎢銅梯度熱沉材料的組成為封接面層中的Cu含量為10～20wt％，散熱層Cu的含量為40～60wt％，封接面與散熱層中間為過渡層1～3層，過渡層中Cu的含量為15～45wt％。制備方法為采用多坯料擠壓法一次成形；將各層中的不同成分的鎢銅料球磨，制備5～100nm的W－Cu超細粉；球磨后的鎢銅超細粉與多組元熱塑性粘結劑混煉鎢銅超細粉與粘結劑經充分混煉均勻后進行擠壓得到W－Cu梯度材料毛坯；將得到的梯度毛坯進行熱脫脂；脫脂后的坯體在氫氣氣氛下燒結。本發(fā)明的優(yōu)點在于制備工藝簡化，鎢銅梯度材料的性能沿厚度方向連續(xù)變化，一致性好。
文檔編號B21C23/22GK1470348SQ03142678
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月18日 優(yōu)先權日2003年6月18日
發(fā)明者謝建新, 李世波, 曲選輝 申請人:北京科技大學