CN102554229B - 一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，属于粉末冶金技术领域。包括将不同粒度及粒度分布的铜粉按比例混合均匀，分别与石蜡基多组元粘结剂混合，经双腔注塑机注射成不同梯度结构的铜散热片生坯，再经脱脂、烧结获得完整结构的铜散热片，最后对铜散热片的底座进行压力加工，制备出梯度结构铜散热片。本发明制备的梯度结构铜散热片产品一次成形，无需后续机加工，控制准确，重现性好，其散热效率比相对密度为99%以上的散热片高20～50%，散热性能优异。

Description

一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法

技术领域

本发明涉及一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

目前计算机产品正逐渐朝向轻薄化、小型化、高功能化和高频化的趋势发展，其单位面积所发出地热量（发热密度）愈来愈高，电子散热的问题也愈严重和棘手，相对地，散热设计的困难度和所花费的成本也越来越高。而利用散热片来增加散热面积是热管理技术中最常见也是最基本的方式。虽然近代新制备及设计技术不断提升，散热片的应用在有限空间的限制下，似乎有渐渐趋向极限的趋势，未来各种不同的冷却技术如热管、水冷、冷冻循环以及浸入式沸腾冷却等都可能用来解决散热问题。尽管如此，散热片仍是最经济、最可靠的散热方式，因此如何提高散热片的材料热传导率和增加散热片的散热面积，以提升其整体散热效率，是21世纪相关产业所面临的重要关键课题。

电子器件的散热主要有三类：风冷、热管和水冷，在这三类散热方式中，散热片是主要部件之一。散热片的加工方式多种多样，主要包括以下几类：

⑴冲压散热片。铝合金和铜均可采用冲压工艺制备散热片，冲压工艺的优点在于自动化、批量化，缺点在于只能制备形状简单（低发热密度）的散热片； 

⑵挤压散热片。挤压是散热片制造中最广泛的加工方式，采用的材料通常是铝合金。该技术的优势在于投资少、技术门槛低、易于投产、生产成本低、产量大、适用范围广。但是，生产的鳍片形状相对简单，无法获得很大（大于20）的高宽比，并且只能生产铝合金散热片。

⑶焊接散热片。焊接作为传统的金属结合方式，在散热片加工中被普遍采用。目前散热片加工中采用的仍然主要是钎焊，其优点在于底座与鳍片的组合多种多样，相关生产设备已经非常成熟，易于大规模生产。但是，散热片底座与鳍片之间存在界面热阻，二者一旦结合度不好，严重影响散热片性能；而且，控制焊着率难度较高，检验不易，容易出现不良品，加工成本较高。

⑷铸造散热片。铸造技术可制造细薄、密集或结构复杂的鳍片，易于一些特殊设计的实现；缺点是在铸造时表面流纹及氧化渣过多，降低热传导效果，冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低，模具寿命较短，设备相对复杂，产量较小，生产效率低，成本较高。

⑸机械加工散热片。机加工工艺的最大优势在于散热片底座与鳍片一体成形，不存在界面热阻，能够更有效利用散热表面积，此外，切割而成的鳍片排列密集，能在单位体积内获得更大的散热面积。然而，受到原材料等的影响，成品率低，机械加工的设备、人工成本高，大规模生产资金投入过大。

⑹锻造散热片。将铝合金或者铜合金加热至较高温度，然后在较高压力下填入锻造模具成形。其优点在于散热片鳍片与吸热底座一体成形，无界面热阻，适于加工柱状鳍片。但是，由于在冷却时可能出现颈缩现象，使鳍片存在厚薄、高度不均的情况，所需锻造压力高(500吨以上)，设备昂贵，模具制造成本高，磨损快，加工成本高，加工条件苛刻，时间长，不易量产。

⑺热缩嵌套散热片。利用热胀冷缩原理的机械结合方式，主要用于铝鳍片嵌铜。该工艺优点是兼具铝质鳍片的低成本、低密度、易加工特性与铜材的高吸热及导热能力，缺点在于对鳍片、嵌入铜材尺寸、形状要求严格，否则严重影响性能。

⑻金属粉末注射成形散热片。金属注射成形是一种净近成形技术，一次成形，无需后续机加工。采用该技术能大批量生产形状复杂、散热比表面积大、尺寸精度高的散热片。目前，该项技术主要是制备铜散热片。该技术的劣势是不能制备大尺寸铜散热片，且制备的铜散热片底座相对密度在94%以下，底座的热导率在320 W·m^-1·K^-1以下，不能充分发挥铜本身所具备的热导性能。

影响铜散热片应用的主要是以下三个因素：①铜散热片的原料成本高，集中应用在电子行业的高端领域。②铜散热片多是采用机械加工或焊接工艺制备，生产流程长，能耗高，成本高。③铜散热片使用的是相对密度在99%以上的纯铜。纯铜的吸热能力比铝高，但是，铜的比热容为0.39J·Kg^-1·K^-1，铝的比热容为0.9J·Kg^-1·K^-1，同等体积与同样形状的铝散热片比铜的散热能力更强，传统工艺制备的铜散热片没有充分发挥它所具备的吸热能力。④铜的密度为8.9g·cm^-3，铝的密度为2.7g·cm^-3，铜散热片较高的质量限制了它在便携式计算机中的应用。

发明内容

为了克服铜散热片目前存在的缺点，本发明提供了一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法。将不同粒度的铜粉分别与石蜡基多组元粘结剂混合，经双腔注塑机获得铜散热片的鳍片和底座，两者组合成的铜散热片生坯再经脱脂，烧结，底座压力加工，获得梯度结构的铜散热片。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，包括如下步骤：

（1）合批

鳍片采用的铜粉（按质量百分比）：+80目为0～5%、-80目～+100目为90～100%和-100目为余量；

底座采用的铜粉（按质量百分比）：+325目为0～5%、-325目～+400目为90～100%和-400目为余量；

两种铜粉按上述重量比例称取，分别在双锥形混料机中混合6～12小时，得到均匀粉末；

（2）混炼

将两种粒度不同的铜粉分别与粘结剂在高速混合机中充分混合，进行混炼，两种铜粉与粘结剂的体积比相同，均为50～70%：50～30%，混炼的温度为60～140℃，混炼时间为5～15分钟；

（3）制粒

将混炼好的坯料分别经双螺杆挤出机、切粒机制备出注射成形喂料，制粒温度为60～120℃；

（4）注射成形

注射成形所需的喂料通过注塑机两腔注射，制备出所需形状的散热片生坯，注射温度都为100～180℃，射胶压力都为30～80Mpa；

（5）脱脂

散热片生坯采用溶剂脱脂和热脱脂的两步脱脂工艺，先在正庚烷、环己烷或者三氯乙烷有机溶剂中于30～55℃下，浸泡4～12小时进行溶剂脱脂，然后在500～750℃温度下，热脱脂3～12小时；

（6）烧结

散热片脱脂坯在氢气保护气氛下烧结，烧结温度为750～1050℃，时间为1～3小时；

（7）压力加工

对散热片底座进行压力加工，压制压力为10～140 Mpa。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（1）中，所述铜粉均为水雾化铜粉，粉末粒径为3～50μm。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（4）中，所述粘结剂为石蜡基多组元粘结剂，成分为石蜡、高密度聚乙烯、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物和硬脂酸。

一种优选的技术方案，其特征在于：所述石蜡基多组元粘结剂的成分按体积分数为：石蜡50～75%、高密度聚乙烯5～30%、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物20～30%、硬脂酸为余量。

本发明的有益效果为：

采用该法制备的散热片的鳍片为相对密度在50～96%之间的多孔结构材料，有利于提高散热片的比表面积，显著提高散热效率。吸热部分即底座，经压力加工后相对密度达90～99%，能迅速地吸收热源的热量，降低热源的温度。梯度结构铜散热片的散热效率比相对密度为99%的散热片高20～50%。

采用金属粉末注射成形技术制备梯度结构铜散热片，有效地克服了传统工艺制备铜散热片存在的弱点，扩展了它的应用范围：⑴采用金属粉末注射成形技术能一次成形完整结构铜散热片，无需后续机加工，缩短了工艺流程，降低了能耗，有效降低成本，提高了效益。⑵对烧结后的散热片底座进行压力加工，获得底座相对密度为90～99%的梯度结构铜散热片，解决了底座焊接时的热阻问题，同样能迅速的把热源的热量吸收到散热片底座。⑶采用相对密度在50～96%之间的三维多孔Cu材料代替原来的相对密度为99%的Cu鳍片，增大了散热比表面积，提高了散热效率。

本发明制备的梯度结构铜散热片产品一次成形，无需后续机加工，控制准确，重现性好，其散热效率比相对密度为99%以上的散热片高20～50%，散热性能优异。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1是圆柱状鳍片散热片结构示意图。

图2是成品圆柱状鳍片散热片剖面示意图。

具体实施方式

实施例1

一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，圆柱状鳍片散热片的结构如图1所示，其中1为圆柱状鳍片散热片的底座，2为圆柱状鳍片散热片的鳍片。以图1所示散热片为例，梯度结构铜散热片包括散热片的鳍片2和散热片的底座1，散热片制备过程如下：

⑴整个散热片采用金属粉末注射成形技术制备。 

①鳍片用铜粉按质量分数为：+80目为5%、-80目～+100目为90%、-100目为余量，底座用铜粉按质量分数为：-325目～+400目为100%，分别在双锥形混料机中混合12小时。两种铜粉与粘结剂体积比均为55%：45%，粘结剂成分按体积分数为：石蜡为70%、高密度聚乙烯为5%、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物为20%、硬脂酸为5%，把铜粉和粘结剂在高速混合机上80℃混合10分钟，再经制粒温度为100℃的挤出机及切粒机，制备出注射成形喂料。

②两种注射成形喂料通过注塑机双腔注射制备出所需形状的散热片生坯，注射（喂料）温度为140℃，射胶压力为50Mpa。

③散热片生坯脱出粘结剂，分两步进行：溶剂脱脂和氢气气氛下热脱脂，溶剂采用正庚烷和环己烷，脱脂温度为40℃，时间为10小时，溶剂脱脂完以后再将注射成形生坯进行埋粉热脱脂，氢气气氛热脱脂温度最终温度为700℃，时间为12小时。 

④散热片脱脂坯在氢气保护气氛下烧结，烧结温度为800℃，时间为1小时。

⑵散热片的底座1采用压力加工方法制备：对烧结后的散热片进行工装，采用60Mpa的压力对散热片底座再进行压制，提高散热片底座的相对密度，增强底座的导热能力。

图2是成品圆柱状鳍片散热片剖面示意图，底座相对密度达99%以上，而其散热片鳍片为相对密度在50～96%之间的多孔结构材料。通过对同样体积和同样形状的梯度结构铜散热片与相对密度为99%以上的铜散热片在同样条件的测试设备上进行比较，梯度结构铜散热片底座的热阻达到后者的水平，整体散热效率比后者高40%。

实施例2

一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，圆柱状鳍片散热片的结构如图1所示，梯度结构铜散热片包括散热片的鳍片2和散热片的底座1，散热片制备过程如下：

⑴整个散热片采用金属粉末注射成形技术制备。 

①鳍片用铜粉按质量分数为：+80目为2%、-80目～+100目为95%、-100目为余量，底座用铜粉按质量分数为：+325目为2%、-325目～+400目为95%、-400目为余量，分别在双锥形混料机中混合10小时。两种铜粉与粘结剂体积比都为60%：40%，粘结剂成分按体积分数为：石蜡为65%、高密度聚乙烯为10%、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物为20%、硬脂酸为5%，把铜粉和粘结剂在高速混合机上85℃混合8分钟，再经制粒温度为110℃的挤出机及切粒机，制备出注射成形喂料。

②两种注射成形喂料通过注塑机双腔注射制备出所需形状的散热片生坯，注射时喂料温度为145℃，射胶压力为60Mpa。

③散热片生坯脱出粘结剂，分两步进行：溶剂脱脂和氢气气氛下热脱脂，溶剂采用正庚烷和环己烷，脱脂温度为40℃，时间为9小时，溶剂脱脂完以后再将注射成形生坯进行埋粉热脱脂，氢气气氛热脱脂温度最终温度为700℃，时间为12小时。 

④散热片脱脂坯在氢气保护气氛下烧结，烧结温度为850℃，时间为1.5小时。

⑵散热片的底座1采用压力加工方法制备：对烧结后的散热片进行工装，采用50Mpa的压力对散热片底座再进行压制，提高散热片底座的相对密度，增强底座的导热能力。

通过对同样体积和同样形状梯度结构铜散热片与相对密度为99%以上的铜散热片在同样条件的测试设备上进行比较，梯度结构铜散热片底座的热阻与达到后者的水平，整体散热效率比后者高35%。

实施例3

一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，圆柱状鳍片散热片的结构如图1所示，梯度结构铜散热片包括散热片的鳍片2和散热片的底座1，散热片制备过程如下：

⑴整个散热片采用金属粉末注射成形技术制备。 

①鳍片用铜粉按质量分数为：-80目～+100目为100%，底座用铜粉按质量分数为：+325目为5%、-325目～+400目为90%、-400目为余量，分别在双锥形混料机中混合10小时。两种铜粉与粘结剂体积比都为65%：35%，粘结剂成分按体积分数为：石蜡为60%、高密度聚乙烯为10%、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物为25%、硬脂酸为5%，把铜粉和粘结剂在高速混合机上90℃混合8分钟，再经制粒温度为120℃的挤出机及切粒机，制备出注射成形喂料。

②两种注射成形喂料通过注塑机双腔注射制备出所需形状的散热片生坯，注射时喂料温度为150℃，射胶压力为70Mpa。

③散热片生坯脱出粘结剂，分两步进行：溶剂脱脂和氢气气氛下热脱脂，溶剂采用三氯乙烷，脱脂温度为40℃，时间为8小时，溶剂脱脂完以后再将注射成形生坯进行埋粉热脱脂，氢气气氛热脱脂温度最终温度为700℃，时间为11小时。 

④散热片脱脂坯在氢气保护气氛下烧结，烧结温度为900℃，时间为2小时。

⑵散热片的底座1采用压力加工方法制备：对烧结后的散热片进行工装，采用40Mpa的压力对散热片底座再进行压制，提高散热片底座的相对密度，增强底座的导热能力。

通过对同样体积和同样形状梯度结构铜散热片与相对密度为99%以上的铜散热片在同样条件的测试设备上进行比较，梯度结构铜散热片底座的热阻与达到后者的水平，整体散热效率比后者高30%。

实施例4

一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，圆柱状鳍片散热片的结构如图1所示，梯度结构铜散热片包括散热片的鳍片2和散热片的底座1，散热片制备过程如下：

⑴整个散热片采用金属粉末注射成形技术制备。 

①鳍片用铜粉按质量分数为：+80目为5%、-80目～+100目为90%、-100目为余量，底座用铜粉按质量分数为：-325目～+400目为100%，分别在双锥形混料机中混合6小时。两种铜粉与粘结剂体积比都为50%：50%，粘结剂成分按体积分数为：石蜡为50%、高密度聚乙烯为15%、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物为30%、硬脂酸为5%，把铜粉和粘结剂在高速混合机上60℃混合15分钟，再经制粒温度为60℃的挤出机及切粒机，制备出注射成形喂料。

②两种注射成形喂料通过注塑机双腔注射制备出所需形状的散热片生坯，注射时喂料温度为100℃，射胶压力为80Mpa。

③散热片生坯脱出粘结剂，分两步进行：溶剂脱脂和氢气气氛下热脱脂，溶剂采用正庚烷和环己烷，脱脂温度为30℃，时间为12小时，溶剂脱脂完以后再将注射成形生坯进行埋粉热脱脂，氢气气氛热脱脂温度最终温度为500℃，时间为12小时。 

④散热片脱脂坯在氢气保护气氛下烧结，烧结温度为750℃，时间为3小时。

⑵散热片的底座1采用压力加工方法制备：对烧结后的散热片进行工装，采用140Mpa的压力对散热片底座再进行压制，提高散热片底座的相对密度，增强底座的导热能力。

通过对同样体积和同样形状梯度结构铜散热片与相对密度为99%以上的铜散热片在同样条件的测试设备上进行比较，梯度结构铜散热片底座的热阻与达到后者的水平，整体散热效率比后者高30%。

实施例5

一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，圆柱状鳍片散热片的结构如图1所示，梯度结构铜散热片包括散热片的鳍片2和散热片的底座1，散热片制备过程如下：

⑴整个散热片采用金属粉末注射成形技术制备。 

①鳍片用铜粉按质量分数为：+80目为5%、-80目～+100目为90%、-100目为余量，底座用铜粉按质量分数为：-325目～+400目为100%，分别在双锥形混料机中混合6小时。两种铜粉与粘结剂体积比都为70%：30%，粘结剂成分按体积分数为：石蜡为75%、高密度聚乙烯为5%、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物为18%、硬脂酸为2%，把铜粉和粘结剂在高速混合机上140℃混合5分钟，再经制粒温度为100℃的挤出机及切粒机，制备出注射成形喂料。

②两种注射成形喂料通过注塑机双腔注射制备出所需形状的散热片生坯，注射时喂料温度为180℃，射胶压力为30Mpa。

③散热片生坯脱出粘结剂，分两步进行：溶剂脱脂和氢气气氛下热脱脂，溶剂采用三氯乙烷，脱脂温度为55℃，时间为4小时，溶剂脱脂完以后再将注射成形生坯进行埋粉热脱脂，氢气气氛热脱脂温度最终温度为700℃，时间为3小时。 

④散热片脱脂坯在氢气保护气氛下烧结，烧结温度为1050℃，时间为1小时。

⑵散热片的底座1采用压力加工方法制备：对烧结后的散热片进行工装，采用10Mpa的压力对散热片底座再进行压制，提高散热片底座的相对密度，增强底座的导热能力。

通过对同样体积和同样形状梯度结构铜散热片与相对密度为99%以上的铜散热片在同样条件的测试设备上进行比较，梯度结构铜散热片底座的热阻与达到后者的水平，整体散热效率比后者高20%。

Claims (4)

1.一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，包括如下步骤： 

（1）合批 

鳍片采用的铜粉，按质量百分比：+80目为0～5%、-80目～+100目为90～100%和-100目为余量； 

底座采用的铜粉，按质量百分比：+325目为0～5%、-325目～+400目为90～100%和-400目为余量； 

两种铜粉按上述质量百分比称取，分别在双锥形混料机中混合6～12小时，得到均匀粉末； 

（2）混炼 

将两种粒度不同的铜粉分别与粘结剂在高速混合机中充分混合，进行混炼，两种铜粉与粘结剂的体积比相同，均为50～70%：50～30%，混炼的温度为60～140℃，混炼时间为5～15分钟； 

（3）制粒 

将混炼好的坯料分别经双螺杆挤出机、切粒机制备出注射成形喂料，制粒温度为60～120℃； 

（4）注射成形 

注射成形所需的喂料通过注塑机两腔注射，制备出所需形状的散热片生坯，注射温度都为100～180℃，射胶压力都为30～80Mpa； 

（5）脱脂 

散热片生坯采用溶剂脱脂和热脱脂的两步脱脂工艺，先在正庚烷、环己烷或者三氯乙烷有机溶剂中于30～55℃下，浸泡4～12小时进行溶剂脱脂，然后在500～750℃温度下，热脱脂3～12小时； 

（6）烧结 

散热片脱脂坯在氢气保护气氛下烧结，烧结温度为750～1050℃，时间为1～3小时； 

（7）压力加工 

对散热片底座进行压力加工，压制压力为10～140Mpa。 

2.根据权利要求1所述的注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，其特征在于：所述铜粉均为水雾化铜粉，粉末粒径为3～50μm。 

3.根据权利要求1所述的注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，其特征在于：所述粘结剂为石蜡基多组元粘结剂，成分为石蜡、高密度聚乙烯、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物和硬脂酸。 

4.根据权利要求3所述的注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，其特征在于：所述石蜡基多组元粘结剂的成分按体积分数为：石蜡50～75%、高密度聚乙烯5～30%、聚乙烯乙酸-乙酯共聚物20～30%、硬脂酸为余量。 

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