CN111500912B - 一种半导体陶瓷覆合铜板打孔下模 - Google Patents

一种半导体陶瓷覆合铜板打孔下模 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料加工技术领域，具体公开了基于粉末冶金来制备冲孔下模的材料配方及其制备工艺，冲孔下模的材料配方为66‑86份钨粉，5‑12份钴粉，8‑22份重稀土，3‑14份助剂，通过该材料配方再结合粉末冶金工艺可以得到耐磨性能和自润滑性能合格的冲孔下模产品，有效降低了企业的加工成本。

Description

一种半导体陶瓷覆合铜板打孔下模
技术领域
本发明涉及冲孔下模制造技术和工艺领域，特别是半导体芯片冲孔模具及其制造工艺。
背景技术
冲孔下模是半导体行业中覆合铜板、陶瓷板芯片冲孔的易损件，其是决定芯片打孔质量的一个关键零件。目前国内企业使用的冲孔下模一般都是依赖进口来得到，因为国内目前的冲孔下模质量很难达到加工工艺要求。
其中，冲孔下模的耐磨性能和自润滑性能是两个关键技术指标，如何实现冲孔下模国产化的直接因素就是在加制造过程中如何使冲孔下模的耐磨性能和自润滑性能达到芯片打孔要求的指标，例如冲孔下模工作冲次的数量越高，那么其自润滑性能越好，耐磨性也更加突出。因此，如何制备合格的冲孔下模是本领域技术人员目前需要克服的技术难题，其将直接决定企业产品的综合成本和产品的合格率。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种耐磨性能和自润滑性能合格的冲孔下模产品，从而替换国外进口的加工零件，从而降低企业成本。
技术方案
一种半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，按照重量份计，其构成原料为：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂；根据所述原料制备半导体陶瓷覆合铜板打孔下模的方法为：配料：按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
技术效果
本发明以钨粉和钴粉作为基础材料，然后在重稀土和助剂的条件下进行粉末冶金加工，根据提供的粉末冶金工艺，该重稀土和助剂与基础材料充分反应，使金相组织充分变化，从而更利于使之形成需要的结构，相比现有国产产品和进口产品，本发明可以达到加工工艺要求，且效果要明显优于现有产品。
具体实施方式
本实施例公开了一种半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，其采用粉末冶金工艺制得，
按照重量份计，所述半导体陶瓷覆合铜板打孔下模其构成原料为：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，其中，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末。。
本发明制备得到的冲孔下模用于半导体加工，其使用寿命可以达到百万次的劈刀冲次的工作，耐磨性能非常优秀。
为了验证上述依上述方案制得的冲孔下模的效果，下面将通过按照不同原料配比制得的冲孔下模产品进行实验来予以说明。
实施例1
按照重量份计，获取66份钨粉，5份钴粉，8份重稀土，3份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实施例2
按照重量份计，获取86份钨粉，12份钴粉，22份重稀土，14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实施例3
按照重量份计，获取76份钨粉，8份钴粉，75份重稀土，9份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
将上述实验例1-3中制得的冲孔下模进行加工实验。具体实验内容为：采用前述冲孔下模进行半导体陶瓷复合板冲孔加工。
实验结果如下表1。
表1：
试验产品 实施例1 实施例2 实施例3
工作冲次数 98万冲次 109万冲次 128万冲次
备注1：上述表1中的加工冲次数是在以5个相同产品为一组，单个实验例安排5组产品进行实验后统计平均值的结果，结果精确到千位。
备注2：现有工艺加工标准次数为50-70万次，其是按照进口冲孔下模产品来进行标定的。
通过上述表1结果可以看到，本发明提供的冲孔下模完全可以达到现有工艺加工标准。
关于上述发明中助剂对产品效果的影响的实验说明。
上述配比中助剂的作用是改善钨粉与其它原料在高温反应下的组织致密度，使产品的结构更加细化，从而提供产品的耐磨性。
实验例4
按照重量份计，获取66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：1：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例5
按照重量份计，获取66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为2：1：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例6
按照重量份计，获取66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：2：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。。
实验例7
按照重量份计，获取66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：1：2；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。。
将上述实验例4-7中制得的冲孔下模进行半导体陶瓷复合板冲孔加工比较。
实验结果如下表2。
表2：
实验产品 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7
工作冲次数 89万次 107万次 109万次 101万次
备注1：上述表2中除助剂中各混合粉末比例不同外，其同其它原料的重量份和配比都是相同的。
从表2结果可以看出，在单一提高助剂中其中一种成分的比例时，其制得的产品的工作冲次数相比于平均比例有所提高。
关于助剂中钼粉比例对产品影响的实验。
实验例8
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为2：2：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例9
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：1：0；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例10
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为2：1：2；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例11
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：0：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例12
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：2：2；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例13
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为0：1：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
将上述实验例8-13中制得的冲孔下模进行半导体陶瓷复合板冲孔加工比较实验，并与实施例4进行参照比较。
实验结果如下表3。
表3：
实验产品 实施例4 实施例8 实施例9 实施例10 实施例11 实施例12 实施例13
加工次数 89万次 123万次 32万次 108万次 14万次 111万次 19万次
备注1：上述表3中除助剂中各混合粉末比例不同外，其同其它原料的重量份和配比与实施例4-7中配比都是相同的。
从表3的结果可以看出，在提高助剂中两种成分的比例，与此同时剩余一种成分比例下降时，其所制得的产品的工作冲次数有所差异。具体体现为在同时提高锡粉和钯粉的比例时，产品的工作冲次数要优于同时提高锡粉和钼粉的比例所制得的产品和同时提高钯粉和钼粉比例所制得的产品，另外，在舍弃其中一种成分时，其所制得的产品则明显不达标。
关于助剂中锡粉和钯粉比例的探讨。
实验例14
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为3：3：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例15
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为4：4：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例16
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为5：5：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例17
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为6：6：1；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例18
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：1：3；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例19
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：1：4；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例20
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：1：5；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
实验例21
按照重量份计，其由以下原料制得：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末，助剂中锡、钯和钼粉末的比例为1：1：6；按照上述配料要求进行配料，并予以混合；压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到冲孔下模的坯子；烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的冲孔下模。
将上述实验例14-21中制得的冲孔下模进行半导体陶瓷复合板冲孔加工比较实验。
实验结果如下表4。
表4：
Figure BDA0001962786080000091
备注1：上述表4中除助剂中各混合粉末比例不同外，其同其它原料的重量份和配比与实施例4-7中配比都是相同的。
从表4的结果可以看出，在持续提高锡粉和钯粉的比例时，其对应的产品的加工次数有所提高，但当提高的一定比例时则提高效果不明显；同时在持续降低锡粉和钯粉的比例时，其对应的产品的加工次数有一定的波动，持续降低到一定程度时，产品加工次数有明显的降低。
综上来看，助剂中助剂中锡、钯和钼粉末的比例设置在锡粉1/8-5/11,钯粉1/8-5/11,钼粉1/11-3/4时所制得产品的加工次数可以达标且较为优秀。
需要说明的是，上述实施例4-21中钨粉、钴粉、助剂和重稀土等原料的配比是参照实施例2进行的。本申请在按照实施例1和3对钨粉、钴粉、助剂和重稀土等原料的配比进行调整后，按照上述实施例4-21的方法进行实验，其的到的实验结果与上述结果规律是相似的，故这里不做赘述。另外，上述实施例中重稀土中镧、铈、镨、钕四种稀土的混合粉末的比例按照平均比例进行配料即可，因为其配比对产品的达标影响不大，故这里不做重复实验说明。
在一些实施例中，将配料装入混料机内充分混合，使原料充分混合，生产出的产品组织才均匀，反应后材料金相组织才能达到要求。经过对原料以2个小时为间隔的混料操作，从1-24个小时区间内划分得到23组不同混料时长的混合原料(例如，第1组：1-2h，第2组，2-3h……第23组，23-24h)，然后在后续相同加工工艺下进行产品制备，最后对试验数据进行记录发现，在8-20h这个区间的产品性能要优于1-8h和20-24h这2个区间的产品。
在一些实施例中，对配料进行压使制得到毛坯件的密度要达一定要求，可以使产品密度增强，提高产品耐磨性。经过试验对比发现，对配料进行压制得到毛坯件的密度在7.69g/cm3以上得到的产品是最为好的。
在一些实施例中，对下模的毛坯进行连续的烧结的温度包括以下温度段：550℃±5℃；850℃±5℃；950℃±5℃；1060℃±5℃；1150℃±5℃；1250℃±5℃；1350℃±5℃；1400℃至1480℃。上述分段加热的设计是经过多次试验和产品检测调整才得到的，该分段烧结方法可以使炉内温度均衡、金相组织充分变化，从而更利于使之形成需要的结构。

Claims (6)

1.一种半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，其采用粉末冶金工艺制得，其特征在于：按照重量份计，所述半导体陶瓷覆合铜板打孔下模构成原料为：66-86份钨粉，5-12份钴粉，8-22份重稀土，3-14份助剂，其中，所述重稀土为铽、钬、铒、铥四种重稀土粉末，所述助剂的成分为锡、钯和钼的混合粉末。
2.根据权利要求1所述的半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，其特征在于，所述重稀土中铽、钬、铒、铥四种粉末的配比分别为：1：1：1：1。
3.根据权利要求1或2所述的半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，其特征在于，所述助剂中锡、钯和钼粉末的比例分别为：
锡粉1/8-5/11；
钯粉1/8-5/11；
钼粉1/11-3/4。
4.根据权利要求3所述的半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，其特征在于，采用粉末冶金工艺制得打孔下模的方法为：
配料：按照配料要求进行配料，并予以混合；
压制：通过模具将混合好的配料压制成型，得到打孔下模的坯子；
烧结：将得到的坯子进行整形、烘干后，放入真空炉进行连续烧结，连续烧结时间为4-5h；
浸油：将烧结完成的下模坯子取出，然后放入70-90℃的油池进行浸油处理，得到成型的打孔下模。
5.根据权利要求4所述的半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，其特征在于，将配料装入混料机内充分混合，其混料时间为8-20h。
6.根据权利要求5所述的半导体陶瓷覆合铜板打孔下模，其特征在于，对配料进行压制得到毛坯件的密度要达到7.69g/cm3以上。
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