专利名称：一种钨铜梯度热沉材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于钨铜材料技术领域，特别是提供了一种钨铜(W/Cu)梯度热沉材料及其制备方法。
背景技术：
随着开关电器向高压、高容量的发展，以及电子器件不断向小型化、大功率、高可靠性和低成本发展，半导体功率器件集成度的提高而导致高发热率，迫切要求被广泛使用的典型热沉材料-钨铜合金的导热性能尽可能高(导热率≥300W/(m·K))，含气量低(漏气率≤5×10-9Pa·m3/s)，并且具有较低的热膨胀系数(热膨胀系数(6～7)×10-6℃-1)，能与陶瓷基板相匹配(以下将与陶瓷基板接触的面称为封接面)。传统的均质钨铜合金很难能同时满足高热导率与低热膨胀系数的要求。因此，需要在制备钨铜材料的工艺方面另辟溪径。如目前所提出的钨铜功能梯度材料是解决上述问题的是一种较优选择。这种梯度材料，一面(散热面)为高含量铜(保证高热导率)，一面(封接面)为高含量钨(保证低膨胀系数)，中间是逐渐过渡的钨铜梯度层，它能够很好地缓和钨、铜热性能不匹配造成的热应力，又保持了钨、铜各自的优点。钨铜梯度材料的性能明显高于均质的钨铜材料。
目前制备梯度材料的工艺主要有层铺热压烧结、熔渗铜，以及等离子喷涂等技术。但这些方法均存在一定的缺点，如层铺后热压烧结，工艺复杂，界面形状与层厚变化大。如果烧结温度高(1400℃以上)，铜容易溢出，出现“发汗”现象而导致成分发生偏移，并且高温下尺寸变形严重。活化强化液相烧结由于加入微量活化元素导致复合材料的热导率下降，对于热导率要求高的电子材料来说受到局限。熔渗铜法的工艺复杂，成品率低，只能制备低铜含量的材料。等离子喷涂法制备的钨铜梯度材料，存在孔隙率高，层间结合力低等缺陷，满足不了上述高气密性要求。
我国目前所需的高钨钨-铜材料全部依赖进口，价格较昂贵，每年需要花费大量外汇。因此解决高钨钨-铜复合材料的国产化问题有着重要的意义(见姜国圣，王志法，刘正春.高钨钨-铜复合材料的研究现状.稀有金属与硬质合金，1999，13639.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钨铜(W/Cu)梯度热沉材料及其制备方法，以简化工艺，制备性能稳定、可连续变化，一致性好的钨铜梯度材料。
本发明是采用多坯料挤压法一次成形具有3～5层的钨铜梯度材料。多坯料挤压法的基本原理如附图所示，在挤压筒1中开设3～5个坯料孔2(图中所示为3个坯料孔的情形)，在各坯孔中放入不同成分的钨铜预挤压坯A、B、C，在一定温度下(取决于多组元粘结剂的熔点)对其同时进行挤压。特殊结构的挤压模3控制坯料的流动，不同成分的坯料最终在模孔4中压合成一体被挤出，获得多层梯度材料。各坯层间的结合强度由粘结剂保证，梯度坯体的层数由坯料孔的数量相应地决定。各坯层的厚度、宽度由挤压模3和模孔4的出口决定。采用多坯料挤压法能精确控制各层中钨铜成分的含量，可根据要求调整组分达到缓和热应力目的。
本发明的钨铜梯度材料组成及制备工艺为1.根据钨铜梯度材料的使用要求，封接面需与陶瓷基板的热膨胀系数相一致，以保证匹配封接。此层中的Cu含量可在10～20wt％范围内选取，则热膨胀系数在5.83～7.24×10-6℃-1。散热层Cu的含量可相应提高，保证具有较高的热导率。Cu的含量可在40～60wt％(WT为质量)之间选取，可保证散热面的热导率大于300W/(m·K)，以满足大功率微波器件的要求。中间可加1～3层过渡层，在15～45wt％Cu的范围内根据各层的热膨胀失配小于25％的要求设计各中间层Cu的含量。
2.按照各层中的不同钨铜成分，利用机械合金化技术制备不同比例的钨铜纳米晶粉，这种纳米尺度的超细粉具有较高的烧结活性，可在低于常规钨铜粉烧结温度下达到高致密度。在球磨参数为球料比(5～50)∶1(质量比)，转速150～250rpm的条件下，利用行星式球磨机高能球磨10～40小时后，可制备5～100nm的W-Cu超细粉。
3.球磨后的钨铜超细粉与多组元热塑性粘结剂混炼。这种粘结剂为改进型蜡基粘结剂，它既具有优异的保形性，又能较容易彻底脱除。多组元粘结剂的主要成分为聚丙烯，硬脂酸，石蜡，花生油以及邻苯二甲酸二辛酯改性剂。粘结剂的熔点范围为150～170℃，保证挤压时能在较宽的温度范围内进行。不同比例的钨铜复合粉末需添加不同含量的粘结剂，在保证成形性能的前提下，应尽量降低粘结剂的含量。粘结剂的含量可在5～20wt％范围内变化。
4.钨铜超细粉与粘结剂经充分混炼均匀后，在60～80℃之间预压成棒状坯。预压的作用和特点是加料快，准确无粉尘；降低压缩率，可减小模具装料室和模具高度；预压料紧密，空气含量少，传热快，缩短预热和固化的时间，制品也不易出现气泡。不同成分的棒状坯分别放入各个坯料孔2中，然后对模具外部进行加热，在150～170℃之间挤压，挤压速度1～50mm/min，能得到表面质量良好的多层W-Cu梯度毛坯。
5.得到的梯度毛坯需在特定的脱脂工艺下进行热脱脂。根据多组元粘结剂中的不同组元的热解温度，采取如下的脱脂工艺以3～5℃/分钟的升温速度升温到70℃后，以1～3℃/分钟的升温速度升温到150℃，保温0.5～3小时；再以1～3℃/分钟的升温速度升温到300℃后，以1～5℃/分钟的升温速度升温到450℃，保温1～3小时；再以3～6℃/分钟的升温速度升温到900℃，保温0.5～2小时。工艺流程见图2。
6.脱脂后的坯体在氢气气氛下1050～1350℃温度范围内进行一次烧结。采用氢气是为了还原出纳米粉末表面吸附的氧，保证材料的纯度。根据需要还可采用采用热压进行二次烧结，也可进行气压烧结，进一步促进致密化，可有效防止梯度材料的后期烧结变形问题。
本发明的技术关键为①利用多坯料挤压法一次成形多层W-Cu梯度材料，需要正确设计加工多层结构的挤压模具，精确控制坯料的流动；②多层梯度材料的层数越多，各层的厚度就越小，当各层厚度小于1mm时，要保证每层坯成形的连续性，厚度均匀性，而且层与层之间有足够的结合强度，需要研制和开发具有保形性和能彻底脱除的粘结剂，并确定粘结剂的合适添加量；③由于W和Cu两金属互不固溶，因此复合体的致密化受到很大影响，其致密化速度、组织结构分布和成分及尺寸的控制是该复合材料的致密化过程的关键问题。采用高能球磨处理方法可有效地增加致密化进程，提高致密化速度，并可降低烧结温度，利于成分和尺寸的有效控制。
本发明的主要优点是钨铜梯度材料的各层厚度可调，各层成分可任意改变，最终调整烧结后的热膨胀系数，使热应力降到最低。梯度坯体经烧结后可得到高致密的、成分呈连续梯度变化的梯度功能材料。通过烧结，利用元素在高温下的扩散作用，实现层与层之间成分的连续过渡，使界面的成分和组织连续变化，使材料的热应力大为缓和。所制备的钨铜梯度材料，具有封接面热膨胀系数较低，能与陶瓷基板匹配封接，散热面的热导率接近纯铜热导率的特点。这种梯度材料可有效地改善电子基板的散热性，满足大电流的要求，同时又能保证与陶瓷基板的可靠封接，显著提高大功率微波器件的性能。与传统制备梯度材料的工艺相比，具有工艺相对简单，成品均匀一致性高，利于实现批量化生产。
图1是本发明的多坯料挤压法原理图。其中挤压筒1中可开设3～5个坯料孔2，挤压模3和4。钨铜预挤压坯A、B、C。
图2是本发明的脱脂工艺流程图。
具体实施例采用多坯料挤压法制备3层钨铜(W/Cu)梯度材料选用封接层成分为W-15wt％Cu，过渡层成分为W-25wt％Cu，散热层成分为W-35wt％Cu。经理论计算表明，封接层W-15wt％Cu的热膨胀系数较低与陶瓷基板接近，可保证与陶瓷基板的可靠封接；散热层为W-35wt％Cu具有较高的热导率，其理论热导率为265W/(m·K)，能有效地改善电子基板的散热性，提高半导体功率器件的性能；过渡层W-25wt％Cu缓和上下两层之间的热膨胀系数差。各层的热失配较小，使热应力得到缓和。
上述三种成分的WCu复合粉，在球料比为10∶1(质量比)，球磨机转速为300rpm的条件下，经10小时的高能球磨后晶粒尺寸达到40nm。W-15wt％Cu，W-25wt％Cu和W-35wt％Cu三种纳米晶粉分别与8wt％，10wt％和13wt％的粘结剂充分混炼均匀后，预压成棒状坯体分别放入图1中的坯料孔中，对模具加热。当温度升至140℃时，以10mm/min的速度挤压，获得了表面质量良好，界面结合牢固的梯度坯体。经图2的脱脂工艺脱脂后的坯体，在氢气气氛下1250℃温度烧结后，测得坯体致密度达到98％，并且界面处成分连续变化。烧结的梯度坯体中各层的显微组织皆为一种弥散均匀的钨颗粒形成连续骨架，铜围绕钨颗粒间隙呈连续网络分布结构。形成的钨骨架决定热膨胀系数的变化，网络铜有利于热导率的提高。
权利要求
1.一种钨铜梯度热沉材料，其特征在于封接面层中的Cu含量为10～20wt％，散热层中Cu的含量为40～60wt％，封接面与散热层中间为过渡层1～3层，过渡层中Cu的含量为15～45wt％。
2.一种按照权利要求1所述的钨铜梯度热沉材料制备方法，其特征在于由3～5层组成的多层梯度材料毛坯采用多坯料挤压法一次成形。具体制备方法如下a.将各层中的不同成分的钨铜料，在球磨参数为球料质量比为(5～50)∶1，转速100～300rpm的条件下，利用行星式球磨机高能球磨10～40小时，制备5～100nm的W-Cu超细粉；b.球磨后的钨铜超细粉与多组元热塑性粘结剂混炼粘结剂为改进型蜡基粘结剂，成分为聚丙烯，硬脂酸，石蜡，花生油以及邻苯二甲酸二辛酯改性剂；粘结剂的熔点范围为150～170℃，粘结剂的含量为5～20wt％。c.钨铜超细粉与粘结剂经充分混炼均匀后，在60～80℃之间预压成棒状坯，不同成分的棒状坯分别放入各个坯料孔中，然后对模具外部进行加热，在150～170℃之间挤压，挤压速度1～50mm/min，能得到表面质量良好的多层W-Cu梯度毛坯；d.将得到的梯度毛坯进行热脱脂，脱脂工艺为以3～5℃/分钟的升温速度升温到70℃后，以1～3℃/分钟的升温速度升温到150℃，保温0.5～3小时；再以1～3℃/分钟的升温速度升温到300℃后，以1～5℃/分钟的升温速度升温到450℃，保温1～3小时；再以3～6℃/分钟的升温速度升温到900℃，保温0.5～2小时；e脱脂后的坯体在氢气气氛下1050～1350℃温度范围内进行烧结。
3.按照权利要求2所述的钨铜梯度热沉材料制备方法，其特征在于脱脂后的坯体在氢气气氛下1050～1350℃温度范围内一次烧结后，也可以采用热压或气压的方式进行二次烧结，以提高产品密度。
全文摘要
本发明提供了一种钨铜梯度热沉材料及其制备方法。钨铜梯度热沉材料的组成为封接面层中的Cu含量为10～20wt％，散热层Cu的含量为40～60wt％，封接面与散热层中间为过渡层1～3层，过渡层中Cu的含量为15～45wt％。制备方法为采用多坯料挤压法一次成形；将各层中的不同成分的钨铜料球磨，制备5～100nm的W－Cu超细粉；球磨后的钨铜超细粉与多组元热塑性粘结剂混炼钨铜超细粉与粘结剂经充分混炼均匀后进行挤压得到W－Cu梯度材料毛坯；将得到的梯度毛坯进行热脱脂；脱脂后的坯体在氢气气氛下烧结。本发明的优点在于制备工艺简化，钨铜梯度材料的性能沿厚度方向连续变化，一致性好。
文档编号B21C23/22GK1470348SQ03142678
公开日2004年1月28日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者谢建新, 李世波, 曲选辉 申请人:北京科技大学