激光熔覆鎢銅復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料及其制備方法，激光熔覆鎢銅復(fù)合材料包含無(wú)氧銅基體和在其表面激光熔覆的鎢銅表面層。該材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，并具有良好的氣密性和較高的結(jié)合強(qiáng)度。
【專利說明】激光熔覆鎢銅復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，由于鎢銅材料既具有極高的耐熱性和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，同時(shí)又具有與硅片、砷化鎵及陶瓷材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，已成為一種重要的電子封裝和熱沉材料。尤為可貴的是其熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，可以通過改變材料的成分而加以設(shè)計(jì)和調(diào)整，因而給該材料的應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便。另外，鎢銅還具有優(yōu)異的微波屏蔽功能以及高的強(qiáng)度。正是這些特點(diǎn)使鎢銅復(fù)合材料近年來(lái)在大規(guī)模集成電路和大功率微波器件中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，是目前應(yīng)用最廣泛的電子封裝和熱沉材料之一。
[0003]隨著電子器件的功率不斷提高，以及器件的超微型化，相應(yīng)功耗密度也越來(lái)越大，散熱問題越來(lái)越突出，對(duì)熱沉材料的性能和可靠性提出了更高的要求。目前鎢銅材料的制備方法主要有高溫液相燒結(jié)法和熔滲法。液相燒結(jié)法生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單易控，但要求的燒結(jié)溫度很高，燒結(jié)時(shí)間很長(zhǎng)，費(fèi)用較高，而且由于鎢和銅兩者互不相溶，材料燒結(jié)時(shí)致密化困難、孔隙度較大，目前只能達(dá)到理論密度的90-95%，影響材料的導(dǎo)熱性能、氣密封性和力學(xué)性能。為了提高其致密度，不得不增加復(fù)雜的燒結(jié)后處理工序(如復(fù)壓、熱鍛、熱壓等)，但這樣就增加了制備工藝的復(fù)雜性，成本增加，使其應(yīng)用受到限制。熔滲法通過先制備多孔鎢基體骨架，再把熔融的銅液沿顆粒間隙流動(dòng)填充到多孔鎢骨架孔隙中。熔滲法所制得的產(chǎn)品相對(duì)密度可達(dá)98-99%，但由于工藝復(fù)雜，熔滲需要在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，使得材料的制造成本很高。同時(shí)熔滲后需要進(jìn)行機(jī)加工以去除多余的金屬銅，增加了額外的工序和費(fèi)用，降低了材料的利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，該材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，并具有良好的氣密性和較高的結(jié)合強(qiáng)度。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，它包含無(wú)氧銅基體和在其表面激光熔覆的鎢銅表面層。
[0006]進(jìn)一步，所述的鎢銅表面層的銅含量為10~70wt%，其余為鎢。
[0007]進(jìn)一步，所述的鎢銅表面層為單層結(jié)構(gòu)或功能梯度多層結(jié)構(gòu)。
[0008]進(jìn)一步，所述的鎢銅表面層的厚度為50~1000 μ m。
[0009]進(jìn)一步，所述的無(wú)氧銅基體的厚度為I~5mm。
[0010]本發(fā)明還提供 了一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料的制備方法，先將相應(yīng)含量的鎢粉和銅粉均勻混合后，形成鎢銅熔覆材料，再在無(wú)氧銅基體上將鎢銅熔覆材料采用激光熔覆工藝形成鎢銅表面層；本方法也適用于鑰銅復(fù)合材料的制備。
[0011]進(jìn)一步，先通過預(yù)置方法將鎢銅熔覆材料預(yù)先粘結(jié)或涂覆在無(wú)氧銅基體的表面，形成預(yù)置層，然后采用激光束對(duì)預(yù)置層進(jìn)行掃描熔化，從而形成鎢銅表面層。
[0012]進(jìn)一步，所述預(yù)置方法采用熱噴涂工藝或粘結(jié)法；熱噴涂工藝可以采用等離子噴涂工藝或火焰噴涂工藝；粘結(jié)法則采用粘結(jié)劑將鎢銅熔覆材料調(diào)成膏狀粘結(jié)在無(wú)氧銅基體表面。
[0013] 進(jìn)一步，先以載氣送粉的方式將鎢銅熔覆材料通過氣流送入激光輻照區(qū)，從而使鎢銅熔覆材料與無(wú)氧銅基體表面伴隨激光掃描過程同時(shí)熔化形成冶金結(jié)合，從而形成鎢銅
表面層。
[0014]更進(jìn)一步，所述的激光熔覆工藝中采用的激光設(shè)備為CO2激光器、固體激光器或光纖激光器。
[0015]采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明采用在無(wú)氧銅基體上熔覆鎢銅表面層的復(fù)合材料方案，這種復(fù)合材料中的鎢銅表面層的熱膨脹系數(shù)為出~9) X KT6IT1,與硅片、砷化鎵及陶瓷材料相匹配，而無(wú)氧銅基體提供很高的導(dǎo)熱率，其整體熱導(dǎo)率達(dá)到300-350W/(m.K)，是目前塊體鎢銅材料的一倍，致密度達(dá)到99.5%以上，達(dá)到軍工封裝材料的要求。該鎢銅復(fù)合材料在LDM0S、高功率半導(dǎo)體激光器、高功率LED以及IGBT器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前
旦
-5^ O
【具體實(shí)施方式】
[0016]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0017]實(shí)施例1:
[0018]一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，其制作步驟如下:
[0019](I)采用銅粉和鎢粉作為原料，比例為含銅15wt%，含鎢85wt% ;加入適量異丙醇和氧化鋁磨球，濕法球磨混合20小時(shí)，混合后的粉末烘干后，過100目篩；
[0020](2)采用無(wú)氧銅板材作為基體材料，厚度1mm，機(jī)械加工成所需的形狀大小，熔覆前清洗表面油污后經(jīng)過噴砂處理，最后酒精超聲清洗；
[0021](3)將上述混合后的粉末通過激光熔覆設(shè)備制備鎢銅表面層，激光設(shè)備采用光纖激光器，輸出波長(zhǎng)為1064nm，采用連續(xù)輸出模式，送粉方式為同步送粉。其工藝參數(shù)為:激光功率為500W，送粉量2.0g/min,掃描速度為300mm/min。形成的鎢銅表面層厚度50-1000 μ m ；
[0022](4)將噴涂完成的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料進(jìn)行研磨拋光。
[0023]對(duì)本實(shí)施例獲得的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示:材料導(dǎo)熱率為 330W/ (m.K)，膨脹系數(shù)為 7.3 X KT6K'
[0024]實(shí)施例2:
[0025]一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，其制作步驟如下:
[0026](I)采用含銅30wt%，含鎢7(^丨％的材料作為原料，并根據(jù)實(shí)施例1所述方法，進(jìn)行球磨混合制粉；
[0027](2)將上述混合后的粉末通過大氣等離子噴涂設(shè)備均勻噴涂到無(wú)氧銅基體表面形成預(yù)置層，噴涂參數(shù)為:氬氣40L/min、氫氣8L/min、電壓65V、電流600A，預(yù)置層厚度50-1000 μ mD[0028](3)對(duì)上述形成的預(yù)置層采用激光束進(jìn)行掃描熔化形成鎢銅表面層，激光設(shè)備采用光纖激光器，輸出波長(zhǎng)為1064nm，采用連續(xù)輸出模式。其工藝參數(shù)為:激光功率為600W，掃描速度為500mm/min。
[0029]對(duì)本實(shí)施例獲得的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示:通過等離子噴涂形成的預(yù)置層表面均勻，但具有較多的氣孔，經(jīng)過激光掃描后，氣孔大大減少，結(jié)構(gòu)致密、且與基體形成較高的結(jié)合強(qiáng)度。
[0030]實(shí)施例3:
[0031]一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，其制作步驟如下:
[0032](I)采用含銅IOwt %，含鎢90wt %的材料作為原料，并根據(jù)實(shí)施例1所述方法進(jìn)行球磨混合制粉；
[0033](2)將步驟(1)所得混合后的粉末，與粘結(jié)劑PVB混合后調(diào)成膏狀，均勻粘結(jié)在基體表面形成預(yù)置層，厚度500 μ m。
[0034](3)根據(jù)實(shí)施例2所述方法，對(duì)上述形成的預(yù)置層采用激光束進(jìn)行掃描熔化形成鎢銅表面層。
[0035]對(duì)本實(shí)施例獲得的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示:用這種方法制備的鎢銅表面層結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)熱率為300W/(m.K)，膨脹系數(shù)為6.8 X KT6K'
[0036]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，其特征在于:它包含無(wú)氧銅基體和在其表面激光熔覆的鎢銅表面層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，其特征在于:所述的鎢銅表面層的銅含量為10~70wt%，其余為鎢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，其特征在于:所述的鎢銅表面層為單層結(jié)構(gòu)或功能梯度多層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆鎢銅 復(fù)合材料，其特征在于:所述的鎢銅表面層的厚度為50~1000 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料，其特征在于:所述的無(wú)氧銅基體的厚度為I~5mm。
6.—種如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:先將相應(yīng)含量的鎢粉和銅粉均勻混合后，形成鎢銅熔覆材料，再在無(wú)氧銅基體上將鎢銅熔覆材料采用激光熔覆工藝形成鎢銅表面層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:先通過預(yù)置方法將鎢銅熔覆材料預(yù)先粘結(jié)或涂覆在無(wú)氧銅基體的表面，形成預(yù)置層，然后采用激光束對(duì)預(yù)置層進(jìn)行掃描熔化，從而形成鎢銅表面層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述預(yù)置方法采用熱噴涂工藝或粘結(jié)法。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:先以載氣送粉的方式將鎢銅熔覆材料通過氣流送入激光輻照區(qū)，從而使鎢銅熔覆材料與無(wú)氧銅基體表面伴隨激光掃描過程同時(shí)熔化形成冶金結(jié)合，從而形成鎢銅表面層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光熔覆鎢銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的激光熔覆工藝中采用的激光設(shè)備為CO2激光器、固體激光器或光纖激光器。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK103952697SQ201410185162
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】李豐, 薛衛(wèi)昌, 趙曉兵 申請(qǐng)人:丹陽(yáng)聚辰光電科技有限公司