CN106958002A - 一种等离子热喷涂设备 - Google Patents

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements

Abstract

本发明公开了一种等离子热喷涂设备，用于将钨铜混合粉喷涂到紫铜基材上，包括喷枪、送粉器、气体流量表、空气控制器和供气系统，所述喷枪与送粉器连接，所述空气控制器用于控制过滤空气，所述空气控制器与气体流量表连接，所述供气系统与气体流量表连接，所述气体流量表与喷枪连接；所述送粉器用于提供钨铜混合粉，所述钨铜混合粉为粒径2‑15um的球形粉末颗粒，所述球形粉末颗粒包括钨颗粒以及包覆在钨颗粒外的铜层，所述钨颗粒为纳米级，所述铜层为微米级；所述喷枪与紫铜基材的距离为8‑12mm。采用本发明，结构简单、操作方便、成本低、且其制得的钨铜法兰散热片热导率高达380W/m*K、稳定可靠。

Description

一种等离子热喷涂设备
技术领域
本发明涉及喷涂设备领域，尤其涉及一种等离子热喷涂设备。
背景技术
高端的半导体电子器件包括LED、激光器和微波大功率器件等成本的60%以上来自封装，而封装技术的关键在于散热。散热不仅影响成本，而且还影响半导体器件性能的发挥。对于半导体电子器件而言，需要导热优良而又能导电的散热片，无氧铜是首选，价格便宜，能满足绝大部分电子器件的需求。但是，无氧铜的热膨胀系数比半导体的热膨胀系数要大3倍以上，在器件的使用过程中，热膨胀系数的差异和不匹配会导致半导体电子器件芯片开裂失效。钨铜、钼铜、CMC、CPC合金具有可调控的热膨胀系数，可以和芯片形成良好的热匹配，保证芯片的长期可靠性，同时和封装陶瓷也能形成良好的热膨胀匹配，保证封装管壳的密封可靠性。
目前市场中钨铜、钼铜产品采用烧结熔渗和热等静压法生产，工序复杂，加工困难，钨钼耗量大，生产成本高。CPC和CMC产品采用压延法生产，产品成品率很低，国内成品率在40%左右，国际上最好的奥地利Plansee和日本住友公司成品率最高也只有60%，生产工艺决定了它的成品率。
传统工艺采用烧结溶渗法生产钨铜合金，工序复杂，加工困难，耗钨量大，生产成本高，材料热导率最高200W/m*K左右，一般仅为180-190W/m*K左右，这在一定程度上限制了LDMOS等器件功率的进一步提高，但为了保证器件的可靠性，只能以牺牲器件的功率为代价。
因此，如何在保证芯片和法兰热匹配的前提下，尽可能的提高法兰片的热导率，成了本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于将钨铜混合粉喷涂到紫铜基材上的等离子热喷涂设备，结构简单、操作方便、成本低、且其制得的钨铜法兰散热片热导率高达380W/m*K、稳定可靠。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于将钨铜混合粉喷涂到紫铜基材上的等离子热喷涂设备，其制得的钨铜法兰散热片的成本相对传统钨铜法兰散热片降低50%。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种等离子热喷涂设备，用于将钨铜混合粉喷涂到紫铜基材上，包括喷枪、送粉器、气体流量表、空气控制器和供气系统，所述喷枪与送粉器连接，所述空气控制器用于控制过滤空气，所述空气控制器与气体流量表连接，所述供气系统用于通入氮气、氧气和/或丙烷，所述供气系统与气体流量表连接，所述气体流量表与喷枪连接；
所述送粉器用于提供钨铜混合粉，所述钨铜混合粉为粒径2-15um的球形粉末颗粒，所述球形粉末颗粒包括钨颗粒以及包覆在钨颗粒外的铜层，所述钨颗粒为纳米级，所述铜层为微米级；
所述喷枪与紫铜基材的距离为8-12mm。
作为上述方案的改进，所述钨颗粒的粒径为10-100nm，所述铜层的厚度为2~15um。
作为上述方案的改进，所述钨颗粒的粒径为20-50nm，所述铜层的厚度为4~12um。
作为上述方案的改进，所述喷枪与紫铜基材的距离为8-10mm。
作为上述方案的改进，所述喷枪的喷涂角度为30-45°。
作为上述方案的改进，所述喷枪与送粉器之间设有预融化机构，所述预融化机构包括用于通入氢气的氢气供给单元、用于融入氩气的氩气供给单元以及加热单元。
作为上述方案的改进，所述氢气和氩气的比例为1-2:2-3。
作为上述方案的改进，所述加热单元的加热温度为1000-1300℃。
作为上述方案的改进，所述供气系统包括用于通入氮气的氮气瓶、用于通入氧气的氧气瓶和用于通入丙烷的丙烷瓶，所述氮气瓶的数量为1-2个，所述氧气瓶的数量为3-5个，所述丙烷瓶的数量为2-4个。
作为上述方案的改进，所述氮气、氧气、丙烷的通入比例为1-2：3-5：2-4。
实施本发明的有益效果在于：
本发明提供一种用于将钨铜混合粉喷涂到紫铜基材上的等离子热喷涂设备，包括喷枪、送粉器、气体流量表、空气控制器和供气系统，所述送粉器用于提供钨铜混合粉，所述钨铜混合粉为粒径2-15um的球形粉末颗粒，所述球形粉末颗粒包括钨颗粒以及包覆在钨颗粒外的铜层。本发明选用纳米级别的无颗粒和微米级别的铜层，可以使得钨铜混合粉的表面更加致密，孔隙率低至0.6%。
本发明采用了等离子表面淀积技术生产钨铜法兰散热片，制得的钨铜法兰散热片的热导率高达380W/m*K，相对传统钨铜法兰片热导率提高100%，应用了所述钨铜法兰散热片的器件的功率可以提高50%以上。而且，采用等离子表面淀积技术生产钨铜法兰散热片，在热喷涂的过程中，可以调节涂层的厚度，进而改进钨铜法兰的热膨胀系数，能够与其他各种半导体和陶瓷等材料相匹配，增加了钨铜法兰的使用范围。
所述喷枪与紫铜基材的距离为8-12mm，可以保证钨铜混合粉可以均匀地喷涂在紫铜基材上，且结合力达70Mpa。制得钨铜法兰散热片非常可靠，钨铜法兰散热片贴在芯片后，芯片在高低温变化工作时不会开裂，能够给予高功率工作芯片较好的散热处理，进而使芯片能够高效、稳定的工作。
进一步，所述喷枪与送粉器之间设有预融化机构，所述预融化机构包括用于通入氢气的氢气供给单元、用于融入氩气的氩气供给单元以及加热单元。因此，本发明在热喷涂之前，对粉末进行预先的团聚烧结，这样生产成本相对传统钨铜法兰片降低50%，产品具有明显的性价比优势，在现在钨铜散热片市场上有强大的竞争力。
综上，本发明结构简单、操作方便、成本低、且其制得的钨铜法兰散热片热导率高达380W/m*K、成本相对传统钨铜法兰散热片降低50%、稳定可靠。
附图说明
图1是本发明等离子热喷涂设备的示意图；
图2是钨铜混合粉的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1，图1显示了用于将钨铜混合粉喷涂到紫铜基材7上的等离子热喷涂设备，包括喷枪1、送粉器2、气体流量表3、空气控制器4和供气系统5，所述喷枪1与送粉器2连接，所述空气控制器4用于控制过滤空气，所述空气控制器4与气体流量表3连接，所述供气系统5用于通入氮气、氧气和/或丙烷，所述供气系统5与气体流量表3连接，所述气体流量表3与喷枪1连接。本发明以丙烷为燃气,将送粉器2提供的粉料通过喷枪1进行燃烧，再在紫铜基材7上实现喷涂处理。其中，气体流量表3和空气控制器4用于控制喷涂过程中的气体的流量和过滤空气的流量，保证喷涂过程的稳定顺利进行。需要说明的是，所述喷枪可以选用型号为QT-E-7/h，QT-E2000-7h，CP-3000的喷枪。
具体的，参见图2，所述送粉器2用于提供钨铜混合粉，所述钨铜混合粉为粒径2-15um的球形粉末颗粒，所述球形粉末颗粒包括钨颗粒21以及包覆在钨颗粒外的铜层22，所述钨颗粒21为纳米级，所述铜层22为微米级。优选的，所述钨颗粒21的粒径为10-100nm，所述铜层22的厚度为2~15um。更佳的，所述钨颗粒21的粒径为20-50nm，所述铜层22的厚度为4~12um。本发明选用纳米级别的无颗粒和微米级别的铜层，可以使得钨铜混合粉的表面更加致密，孔隙率低至0.6%，保证产品表面的光洁度和平整度。
所述供气系统5包括用于通入氮气的氮气瓶51、用于通入氧气的氧气瓶52和用于通入丙烷的丙烷瓶53，所述氮气瓶51的数量优选为1-2个，所述氧气瓶52的数量优选为3-5个，所述丙烷瓶53的数量优选为2-4个。更佳的，所述氮气瓶51的数量为1个，所述氧气瓶52的数量为4个，所述丙烷瓶53的数量为3个。
所述氮气、氧气、丙烷的通入比例优选为1-2：3-5：2-4。更佳的，所述氮气、氧气、丙烷的通入比例优选为1：4：3。
本发明采用了等离子表面淀积技术生产钨铜法兰散热片，制得的钨铜法兰散热片的热导率高达380W/m*K，相对传统钨铜法兰片热导率提高100%，应用了所述钨铜法兰散热片的器件的功率可以提高50%以上。而且，采用等离子表面淀积技术生产钨铜法兰散热片，在热喷涂的过程中，可以调节涂层的厚度，进而改进钨铜法兰的热膨胀系数，能够与其他各种半导体和陶瓷等材料相匹配，增加了钨铜法兰的使用范围。
现有的等离子喷涂设备一般选用粒径为45μm的普通粉料，就达到可以等离子淀积的要求粒径，但是，采用上述粉料的孔隙率高，无法大幅提升产品的性能。
所述喷枪1与紫铜基材7的距离为8-12mm。优选的，所述喷枪1与紫铜基材7的距离为8-10mm。喷枪1与紫铜7基材保持特定距离，可以保证钨铜混合粉均匀地喷涂在紫铜基材上，产品结构对称涂层容差在10um以内。而且结合力达70Mpa，同时产品能够经受800℃高温10分钟。
本发明制得钨铜法兰散热片非常可靠，钨铜法兰散热片贴在芯片后，芯片在高低温变化工作时不会开裂，能够给予高功率工作芯片较好的散热处理，进而使芯片能够高效、稳定的工作。经测试，本发明可以在200度高温下热循环1000次，芯片不开裂。
现有的喷枪与基材的一般距离为100-250mm，然而本发明为了配合上述钨铜混合粉，需要将喷枪与紫铜基材的距离设为8-12mm，否则，钨铜混合粉不能均匀地喷涂在紫铜基材上，喷涂涂层出现部分厚部分薄的情况。
所述喷枪1的喷涂角度为30-45°，可以保证钨铜混合粉均匀地喷涂在紫铜基材上。
进一步，所述喷枪1与送粉器2之间设有预融化机构6，所述预融化机构6包括用于通入氢气的氢气供给单元61、用于融入氩气的氩气供给单元62以及加热单元63。所述氢气和氩气的比例为1-2:2-3。所述加热单元63的加热温度为1000-1300℃。本发明在热喷涂之前，对粉末进行预先的团聚烧结，这样生产成本相对传统钨铜法兰片降低50%，产品具有明显的性价比优势，在现在钨铜散热片市场上有强大的竞争力。
综上，本发明结构简单、操作方便、成本低、且其制得的钨铜法兰散热片热导率高达380W/m*K、成本相对传统钨铜法兰散热片降低50%、稳定可靠。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子热喷涂设备，用于将钨铜混合粉喷涂到紫铜基材上，其特征在于，包括喷枪、送粉器、气体流量表、空气控制器和供气系统，所述喷枪与送粉器连接，所述空气控制器用于控制过滤空气，所述空气控制器与气体流量表连接，所述供气系统用于通入氮气、氧气和/或丙烷，所述供气系统与气体流量表连接，所述气体流量表与喷枪连接；
所述送粉器用于提供钨铜混合粉，所述钨铜混合粉为粒径2-15um的球形粉末颗粒，所述球形粉末颗粒包括钨颗粒以及包覆在钨颗粒外的铜层，所述钨颗粒为纳米级，所述铜层为微米级；
所述喷枪与紫铜基材的距离为8-12mm。
2.如权利要求1所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述钨颗粒的粒径为10-100nm，所述铜层的厚度为2~15um。
3.如权利要求2所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述钨颗粒的粒径为20-50nm，所述铜层的厚度为4~12um。
4.如权利要求1所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述喷枪与紫铜基材的距离为8-10mm。
5.如权利要求4所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述喷枪的喷涂角度为30-45°。
6.如权利要求1所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述喷枪与送粉器之间设有预融化机构，所述预融化机构包括用于通入氢气的氢气供给单元、用于融入氩气的氩气供给单元以及加热单元。
7.如权利要求6所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述氢气和氩气的比例为1-2:2-3。
8.如权利要求6所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述加热单元的加热温度为1000-1300℃。
9.如权利要求1-8任一项所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述供气系统包括用于通入氮气的氮气瓶、用于通入氧气的氧气瓶和用于通入丙烷的丙烷瓶，所述氮气瓶的数量为1-2个，所述氧气瓶的数量为3-5个，所述丙烷瓶的数量为2-4个。
10.如权利要求9所述的等离子热喷涂设备，其特征在于，所述氮气、氧气、丙烷的通入比例为1-2：3-5：2-4。
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