CN103710555A

CN103710555A - 一种利用流延法制备钨铜片或板的方法

Info

Publication number: CN103710555A
Application number: CN201310647914.2A
Authority: CN
Inventors: 陈文革; 王利剑; 虢虎平
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN103710555B

Abstract

本发明公开了一种利用流延法制备钨铜片或板的方法，选取铜包钨复合粉体为原料制备流延浆料，然后将流延浆料依次经过流延成型、排胶烧结、压制、熔渗烧结、表面处理，即可得到钨铜片或板。本发明利用流延法制备钨铜片或板的方法，制备得到的钨铜片或板的尺寸、形状、成分可以任意要求，有效解决了钨铜合金制备过程中钨铜两相混合均匀性差、大尺寸厚度不可控的难题，不需要钢制模具和专用的压制成型设备，实现快速高效、方便经济、无切屑少切屑、节约资源的目的。

Description

一种利用流延法制备钨铜片或板的方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种利用流延法制备钨铜片或板的方法。

背景技术

钨铜复合材料是由钨与铜所组成的既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的组织，一般称为钨铜假合金（pseudo-alloy）。正是这种组合，W-Cu合金的高导热性可以满足大功率器件散热需要，尤为重要的是，其热膨胀系数（CTE）和导热导电性能可以通过调整材料的成分而加以设计，可以与微电子器件中不同半导体材料进行很好匹配连接，从而避免热应力所引起的热疲劳破坏。因此在大规模集成电路和大功率微波器件中，钨铜合金薄板作为电子封装基板、连接件、散热片和微电子壳体用材具有广阔的应用前景。

当前制备钨铜板或片的方法主要有金属粉末轧制、等离子喷涂-轧制、元素粉末法和物理气相沉积法等。而在制备过程中，这些方法还存在一定的局限性和缺点，金属粉末轧制由于挤入角的难以控制往往不易获得理想的轧制件；等离子喷涂-轧制所制备的合金板材存在氧化物，组织均匀性有待提高；元素粉末法制备工艺容易引入高的杂质含量以及缺陷密度难以实现完全致密化；物理气相沉积产出比较低难以实现工业化的批量生产。其它板材制备技术比如溅射法、喷涂法等目前尚未成熟，还处于研究阶段。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用流延法制备钨铜片或板的方法，解决了现有制备方法制备得到的钨铜片或板的组织均匀性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种利用流延法制备钨铜片或板的方法，选取铜包钨复合粉体为原料制备流延浆料，然后将流延浆料依次经过流延成型、排胶烧结、压制、熔渗烧结、表面处理，即可得到钨铜片或板。

本发明的特点还在于，

所选取的铜包钨复合粉体的铜含量小于所制备的钨铜片或板的铜含量。

流延浆料的制备过程如下：向铜包钨复合粉体中依次加入溶剂、分散剂粘结剂和增塑剂，在磁力搅拌器中搅拌1～2h，转速控制在300～600r/min，得到流延浆料。

制备流延浆料的所有原料中各组分占总重量的比例分别为：铜包钨复合粉体60%～70%、溶剂20%～28%、分散剂1%～1.5%、增塑剂3%～4%、粘结剂4%～6.5%，以上组分的重量百分比之和为100%；其中溶剂为无水乙醇与二甲苯按质量比为2：1组成的混合物，分散剂为Hypermer KD-1（导电粉专用分散剂），增塑剂为聚乙二醇与丙三醇按质量比为1：1组成的混合物，粘结剂为乙基纤维素。

流延成型的具体操作过程如下：将流延浆料倒入流延机的料槽中，控制刮刀高度为1.5～2mm，流延速度为30～60cm/min进行流延，然后阴干后得到流延板坯。

排胶烧结的具体操作过程如下：将流延板坯置于石英方舟或石墨舟内在保护气氛或真空烧结炉内进行排胶烧结，先在排胶温度为500℃～600℃下保温0.5～1小时，然后缓慢升温至1300℃～1400℃烧结1～2小时，随后在保护气氛下或真空中随炉冷却至室温取出。

压制的具体操作过程如下：将经过排胶并预烧结的流延片或板坯放入钢制模具中或平板上，在压力机上进行简单压制，压制压力控制在300～600MPa，保压1～1.5min，得到压制坯片或板。

熔渗烧结的具体操作过程如下：将压制得到的压制坯片或板置于石英方舟或石墨舟内在保护气氛或真空烧结炉内，同时在压制坯片或板上表面放置铜料，该铜料质量为铜包钨复合粉体中铜含量与所制备的钨铜片或板中铜含量的差量的150%，控制温度在1300～1400℃，保温1～1.5小时进行熔渗烧结，随后在保护气氛下或真空中随炉冷却至室温。

排胶烧结和熔渗烧结过程中，保护气氛为氮气或氢气，流量控制在2～2.5L/min，真空烧结炉内真空度不大于10^-2Pa。

表面处理的具体操作过程如下：将经过熔渗烧结的压制坯片或板在机械加工设备或研磨机上去除表面的浮铜，然后进行抛光或研磨即可。

本发明的有益效果是，本发明利用流延法制备钨铜片或板的方法，制备得到的钨铜片或板的尺寸、形状、成分可以任意要求，有效解决了钨铜合金制备过程中钨铜两相混合均匀性差、大尺寸厚度不可控的难题，实现快速高效、方便经济、无切屑少切屑、节约资源的目的。

附图说明

图1是本发明方法中流延成型所用流延机的结构示意图；

图2是实施例1制备的W80Cu20（钨铜80）片的显微组织图；

图3是实施例4制备的W50Cu50（钨铜50）片的显微组织图。

图中，1.料槽，2.流延浆料，3.刮刀，4.湿膜，5.干膜，6.基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明利用流延法制备钨铜片或板的方法，选取铜包钨复合粉体为原料制备流延浆料，然后将流延浆料依次经过流延成型、排胶烧结、压制、熔渗烧结、表面处理，即可得到钨铜片或板。

具体步骤为：

步骤1，粉料的选取

选择铜包钨复合粉体作为原料，平均粒度范围在6～30微米，包覆厚度在0.5～4.5微米，所选取的铜包钨复合粉体的铜含量小于所制备的钨铜片或板的铜含量；

步骤2，流延浆料的配制

向步骤1选取的铜包钨复合粉体中依次加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，在磁力搅拌器中搅拌1～2h，转速控制在300～600r/min，得到流延浆料；

制备流延浆料的所有原料中各组分占总重量的比例分别为：铜包钨复合粉体60%～70%、溶剂20%～28%、分散剂1%～1.5%、增塑剂3%～4%、粘结剂4%～6.5%，以上组分的重量百分比之和为100%；其中溶剂为无水乙醇与二甲苯按质量比为2：1组成的混合物，分散剂为Hypermer KD-1（导电粉专用分散剂），增塑剂为聚乙二醇与丙三醇按质量比为1：1组成的混合物，粘结剂为乙基纤维素；

步骤3，流延成型

将步骤2得到的流延浆料倒入流延机的料槽中，控制刮刀高度为1.5～2mm，流延速度为30～60cm/min进行流延，然后阴干后得到流延板坯；

步骤4，排胶烧结

将步骤3得到的流延板坯置于石英方舟或石墨舟内在保护气氛（保护气氛为氮气或氢气，流量控制在2～2.5L/min）或真空烧结炉（真空度不大于10^-2Pa）内进行排胶烧结，先在排胶温度为500℃～600℃下保温0.5～1小时，然后缓慢升温至1300℃～1400℃烧结1～2小时，随后在保护气氛下或真空中随炉冷却至室温取出；

步骤5，压制

将经过步骤4处理的流延片或板坯放入钢制模具中（模具型腔尺寸与所制板或片的外形尺寸一致）或平板上，在压力机上进行简单压制，压制压力控制在300～600MPa，保压1～1.5min，得到压制坯片或板；

步骤6，熔渗烧结

将步骤5得到的压制坯片或板置于石英方舟或石墨舟内在保护气氛（保护气氛为氮气或氢气，流量控制在2～2.5L/min）或真空烧结炉（真空度不大于10^-2Pa）内，同时在压制坯片或板上表面放置铜料，该铜料质量为铜包钨复合粉体中铜含量与所制备的钨铜片或板中铜含量的差量的150%，控制温度在1300～1400℃，保温1～1.5小时进行熔渗烧结，随后在保护气氛下或真空中随炉冷却至室温；

步骤7，表面处理

将经过步骤6处理的压制坯片或板在机械加工设备或研磨机上去除表面的浮铜，然后进行抛光或研磨即得到要求厚度的钨铜片或板。

本发明选择铜包钨复合粉体作为原料，可以解决粉体烧结成型过程中普遍存在的铜相偏聚问题，使铜均匀的呈网络状分布在钨基体周围，从根本上避免传统粉末冶金工艺中混料均匀性难以控制的难题，为后续的溶渗烧结乃至最终钨铜板材组织均匀性打下坚实的基础。铜包钨复合粉体的选取有一定的要求，即所选择复合粉体的铜含量要小于所制备钨铜板材的铜含量，如制备W80Cu20的合金板材，则应选择W90Cu10的铜包钨复合粉体，剩余的Cu通过后续烧结熔渗过程进行填充。具体选择如表1所示。

表1铜包钨复合粉体的选择方法

要求制备合金成分	选用包覆粉成分	包覆粉平均粒径（微米）
			W80Cu20	W90Cu10	6～10
W70Cu30	W80Cu20	15～20
			W60Cu40	W70Cu30	20～30
W50Cu50	W65Cu35	20～30

本发明流延成型的过程如图1所示，将步骤2所得的流延浆料2倒入流延机的料槽1中，处于料槽1一端的刮刀3与水平置于料槽1下部的基板6有一定的间隙，当基板6在水平方向相对刮刀3运动时，运动速度v₀应该控制在30cm/min～60cm/min；流延浆料2流过刮刀3间隙而均匀平铺在基板6上，形成均匀的湿膜4，钨铜片或板坯的厚度由刮刀3与基板6的高度h控制。然后将湿膜4阴干后从基板上剥离即可得到流延片或板坯（即干膜5）。由于粘结作用，流延片或板坯可随意裁剪成所需的任意形状，以备后续加工使用。

本发明利用流延法制备钨铜片或板的方法，制备得到的钨铜片或板的尺寸、形状、成分可以任意要求，有效解决了钨铜合金制备过程中钨铜两相混合均匀性差、大尺寸厚度不可控的难题，实现快速高效、方便经济、无切屑少切屑、节约资源的目的。

实施例1

制备尺寸为Φ23×0.5mm的W80Cu20（钨铜80）片。

步骤1，粉体的选择

由于W80Cu20（钨铜80）片的铜含量是20%，所以选择W90Cu10铜包钨复合粉体，粉体平均粒径是8微米的近球形粉末，平均包覆厚度为0.5微米；

步骤2，流延浆料的制备

称取步骤1所选铜包钨复合粉体质量50克（此为制备多个试样的粉体质量，由于合金片质量过轻，在流延过程中又有少量损耗，质量控制难度较大），将铜包钨复合粉体倒入50ml的烧杯中，再加入粘结剂（乙基纤维素）3.1克，增塑剂（聚乙二醇1.15克和丙三醇1.15克），分散剂（Hypermer KD-1）1克和溶剂（无水乙醇13.6克和二甲苯6.8克），将烧杯置于磁力搅拌器上搅拌1.5小时，至搅拌子不能自行转动为止，搅拌器转速控制在450r/min，得到流延浆料；

步骤3，流延成型

将步骤2所得的流延浆料倒入流延机的料槽中并控制刮刀高度为2mm，控制流延速度为40cm/min进行流延，得到面积为58.9cm²的流延板坯，将流延后的板坯阴干后即可得到流延板坯；

步骤4，排胶烧结

将步骤3得到的流延板坯裁剪成Φ23的圆形坯片置于石英方舟内在高温气氛烧结炉中进行排胶烧结，使用氮气作为保护气氛，通入流量为2L/min，先在排胶温度为500℃下保温0.5小时，然后在1350℃下烧结1.5小时，随后在氮气保护气氛下随炉冷却；

步骤5，压制

将步骤4处理的片坯置于Φ23钢制模具中在万能压力机上进行压制变形，压制压力为500MPa，缓慢加压，并保压1分钟，得到压制片坯；

步骤6，烧结熔渗

将步骤5得到的压制片坯置于石英方舟内在高温气氛炉内进行熔渗烧结，通入氮气作为保护气氛，控制流量为2L/min，同时在压制坯片上表面放置铜0.623克，（所制钨铜合金板材的铜的含量是11.25克，此处铜的质量是在Φ23面积上所需熔渗铜质量0.41克的150%）控制温度在1350℃，保温1小时进行熔渗烧结，随后在氮气保护气氛下随炉冷却；

步骤7，表面处理

将经过步骤6处理的压制片坯在研磨机上进行表面处理，达到钨铜板或片所要求的尺寸精度和表面光洁度，即得到W80Cu20（钨铜80）片。

实施例2

制备尺寸为Φ30×0.1mm的W80Cu20（钨铜80）片。

步骤1，粉体的选择

步骤2，流延浆料的制备

称取步骤1所选铜包钨复合粉体质量50克（此为制备多个试样的粉体质量，由于合金片质量过轻，在流延过程中又有少量损耗，质量控制难度较大），将铜包钨复合粉体倒入50ml的烧杯中，加入粘结剂（乙基纤维素）5.4克，增塑剂（聚乙二醇1.68克和丙三醇1.68克），分散剂（Hypermer KD-1）1.25克和溶剂（无水乙醇15.6克和二甲苯7.8克），将烧杯置于磁力搅拌器上搅拌1.5小时，至搅拌子不能自行转动为止，搅拌器转速控制在600r/min，得到流延浆料；

步骤3，流延成型

将步骤2所得的流延浆料倒入流延机的料槽中并控制刮刀高度为1.5mm，控制流延速度为30cm/min进行流延，得到面积为79.7cm²的流延板坯，将流延后的板坯阴干后即可得到流延板坯；

步骤4，排胶烧结

将步骤3得到的流延板坯裁剪成Φ30的圆形坯片置于石英方舟内在高温气氛烧结炉内进行排胶烧结，使用氮气作为保护气氛，通入流量为2L/min，先在排胶温度为550℃下保温0.8小时，然后在1350℃下烧结1.5小时，随后在氮气保护气氛下随炉冷却；

步骤5，压制

将步骤4处理的片坯置于Φ30钢制模具中在万能压力机上进行压制填孔，压制压力为600MPa，缓慢加压，并保压1.2分钟，得到压制片坯；

步骤6，烧结熔渗

将步骤5得到的压制片坯置于石英方舟内在高温气氛炉内进行熔渗烧结，通入氮气作为保护气氛，控制流量为2L/min，同时在压制坯片上表面放置铜0.83克，（所制钨铜合金板材的铜的含量是11.25克，此处铜的质量是在Φ30面积上所需熔渗铜质量0.55克的150%）控制温度在1350℃，保温1.2小时进行熔渗烧结，随后在氮气保护气氛下随炉冷却；

步骤7，表面处理

将步骤6得到的钨铜合金坯片在机械加工设备上进行表面处理，达到钨铜板或片所要求的尺寸精度和表面光洁度，即得到W80Cu20（钨铜80）片。

实施例3

制备尺寸为50×50×0.5mm的W70Cu30（钨铜70）片。

步骤1，粉体的选择

由于钨铜合金的铜含量是30%，所以选择W80Cu20铜包钨复合粉体，粉体平均粒径是17微米的近球形粉末，平均包覆厚度为1.5微米；

步骤2，流延浆料的制备：

称取步骤1所选铜包钨复合粉体质量25克（该质量已将流延过程的浆料损失计算在内），将粉料倒入50ml的烧杯中，再加入粘结剂（乙基纤维素）2.14克，增塑剂（聚乙二醇0.5克和丙三醇0.5克），分散剂（Hypermer KD-1）0.36克和溶剂（无水乙醇4.76克和二甲苯2.38克），将烧杯置于磁力搅拌器上搅拌1小时，至搅拌子不能自行转动为止，搅拌器转速控制在300r/min，得到流延浆料；

步骤3，流延成型

将步骤2所得的流延浆料倒入流延机的料槽中并控制刮刀高度为2mm控制流延范围为50×50mm，控制流延速度为60cm/min进行流延，将流延的板坯阴干后即可得到成型后的流延板坯；

步骤4，排胶烧结

将步骤3得到的流延板坯置于石英方舟内在高温气氛烧结炉内进行排胶烧结，使用氢气作为保护气氛，通入流量为2.5L/min，先在排胶温度为600℃下保温0.5小时，然后在1400℃下烧结1小时，随后在氢气保护气氛下随炉冷却；

步骤5，压制

将步骤4处理的片坯置于万能压力机上进行压制填孔，压制压力为400MPa，缓慢加压，并保压1分钟，得到压制片坯；

步骤6，烧结熔渗

将步骤5得到的压制片坯置于石英方舟内在高温气氛炉内进行熔渗烧结，通入氢气作为保护气氛，控制流量为2.4L/min，同时在压制板坯上表面放置铜5.36克，（所制钨铜合金板材的铜的含量是8.57克，此处质量是需熔渗铜3.57克的150%），控制温度在1400℃，保温1小时进行熔渗烧结，随后在氢气保护气氛下随炉冷却；

步骤7，表面处理

将步骤6处理的压制片坯在机械加工设备上进行表面处理，达到钨铜板或片所要求的尺寸精度和表面光洁度，即得到W70Cu30（钨铜70）片。

实施例4

制备尺寸为100×100×0.5mm的W50Cu50（钨铜50）片。

步骤1，粉体的选择

所制备W50Cu50（钨铜50）片的铜含量是50%，所以选择W65Cu35铜包钨复合粉体，粉体平均粒径是30微米的近球形粉末，平均包覆厚度为4.5微米；

步骤2，流延浆料的制备

称取步骤1所选铜包钨复合粉体质量100克（该质量已将流延过程的浆料损失计算在内），将粉料倒入50ml的烧杯中，再加入粘结剂（乙基纤维素）8.56克，增塑剂（聚乙二醇2.1克和丙三醇2.1克），分散剂（Hypermer KD-1）1.44克和溶剂（无水乙醇19.0克和二甲苯9.52克），将烧杯置于磁力搅拌器上搅拌2小时，至搅拌子不能自行转动为止，搅拌器转速控制在300r/min，得到流延浆料；

步骤3，流延成型

将步骤2所得的流延浆料倒入流延机的料槽中并控制刮刀高度为2mm控制流延范围为100×100mm，控制流延速度为40cm/min进行流延，将流延的板坯阴干后即可得到成型后的流延板坯；

步骤4，排胶烧结

将步骤3得到的流延板坯置于石英方舟内在高温气氛烧结炉内进行排胶烧结，使用氢气作为保护气氛，通入流量为2.4L/min，先在排胶温度为600℃下保温1小时，然后1300℃下烧结2小时，随后在氢气保护气氛下随炉冷却；

步骤5，压制

将步骤4处理的片坯置于万能压力机上进行压制填孔，压制压力为300MPa，缓慢加压，并保压1.5分钟，得到压制板坯；

步骤6，烧结熔渗

将步骤5得到的压制片坯置于石英方舟内在高温气氛炉内进行熔渗烧结，通入氢气作为保护气氛，控制流量为2.4L/min，同时在压制板坯上表面放置铜45克，（所制钨铜合金板材的铜的含量是65克，此处质量是需熔渗铜30克的150%），控制温度在1300℃，保温1.5小时进行熔渗烧结，随后在氢气保护气氛下随炉冷却；

步骤7，表面处理

将步骤6处理的压制板坯在研磨机上进行表面处理，达到钨铜板或片所要求的尺寸精度和表面光洁度，即得到W50Cu50（钨铜50）片。

实施例2-4所制钨铜板或片的性能指标如表2所示，从表2中可见其值比相应国家标准（GB8320-2003）的要高，如密度提高约10%，硬度提高约20%，电导率也提高几个单位，热导率也能满足国际要求。

表2本发明所制钨铜板（片）的性能

成分	密度(g/cm³)	硬度(HV)	电导率(%IACS)	热导率(w/m·k)
					W80Cu20	15.5	287	36	202
W70Cu30	14.8	208	47	221
					W50Cu50	11.9	145	53	257

实施例1制备的W80Cu20（钨铜80）片的显微组织图如图2所示，实施例4制备的W50Cu50（钨铜50）片的显微组织图如图3所示，从图2和图3可以看出，近球形的钨颗粒被粘结相铜包围着，钨铜的分布比较均匀，这体现了使用包覆粉的特点，也是材料具有良好热导率的保证。

Claims

1.一种利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，选取铜包钨复合粉体为原料制备流延浆料，然后将流延浆料依次经过流延成型、排胶烧结、压制、熔渗烧结、表面处理，即可得到钨铜片或板。

2.根据权利要求1所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，所选取的铜包钨复合粉体的铜含量小于所制备的钨铜片或板的铜含量。

3.根据权利要求1所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，流延浆料的制备过程如下：向铜包钨复合粉体中依次加入溶剂、分散剂粘结剂和增塑剂，在磁力搅拌器中搅拌1～2h，转速控制在300～600r/min，得到流延浆料。

4.根据权利要求3所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，制备流延浆料的所有原料中各组分占总重量的比例分别为：铜包钨复合粉体60%～70%、溶剂20%～28%、分散剂1%～1.5%、增塑剂3%～4%、粘结剂4%～6.5%，以上组分的重量百分比之和为100%；其中溶剂为无水乙醇与二甲苯按质量比为2：1组成的混合物，分散剂为Hypermer KD-1，增塑剂为聚乙二醇与丙三醇按质量比为1：1组成的混合物，粘结剂为乙基纤维素。

5.根据权利要求1所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，流延成型的具体操作过程如下：将流延浆料倒入流延机的料槽中，控制刮刀高度为1.5～2mm，流延速度为30～60cm/min进行流延，然后阴干后得到流延板坯。

6.根据权利要求1所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，排胶烧结的具体操作过程如下：将流延板坯置于石英方舟或石墨舟内在保护气氛或真空烧结炉内进行排胶烧结，先在排胶温度为500℃～600℃下保温0.5～1小时，然后缓慢升温至1300℃～1400℃烧结1～2小时，随后在保护气氛下或真空中随炉冷却至室温取出。

7.根据权利要求1所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，压制的具体操作过程如下：将经过排胶并预烧结的流延片或板坯放入钢制模具中或平板上，在压力机上进行简单压制，压制压力控制在300～600MPa，保压1～1.5min，得到压制坯片或板。

8.根据权利要求1所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，熔渗烧结的具体操作过程如下：将压制得到的压制坯片或板置于石英方舟或石墨舟内在保护气氛或真空烧结炉内，同时在压制坯片或板上表面放置铜料，该铜料质量为铜包钨复合粉体中铜含量与所制备的钨铜片或板中铜含量的差量的150%，控制温度在1300～1400℃，保温1～1.5小时进行熔渗烧结，随后在保护气氛下或真空中随炉冷却至室温。

9.根据权利要求6或8所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，排胶烧结和熔渗烧结过程中，保护气氛为氮气或氢气，流量控制在2～2.5L/min，真空烧结炉内真空度不大于10^-2Pa。

10.根据权利要求1所述的利用流延法制备钨铜片或板的方法，其特征在于，表面处理的具体操作过程如下：将经过熔渗烧结的压制坯片或板在机械加工设备或研磨机上去除表面的浮铜，然后进行抛光或研磨即可。