CN115740441A - 一种用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热管理材料制备技术领域，具体涉及一种用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置及其应用。通过超声振动辅助，减少金刚石/铜复合材料中粘结剂的使用，提高金刚石/铜复合材料微通道热沉烧结完的致密度、硬度以及成型尺寸的精确度。加压烧结过程中施加超声振动能显著改善传统加压烧结方式的流动性不足，进一步提高热沉成型的质量。采用金刚石/铜高导热材料制备微通道热沉，可应用于高热流密度集成器件的冷却散热。
Description
技术领域
本发明属于热管理材料制备技术领域，具体涉及一种用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置及其应用。
背景技术
随着集成化电路的快速发展，特别是大功率器件的不断进步，电子器件单位面积热流迅速增加。过热问题会降低器件的使用性能甚至带来故障和损坏，严重影响设备的可靠性。因此，采用高导热的散热材料以及高效散热冷却技术是解决器件温度过高等问题最有效的方法。金刚石/铜复合材料不仅结合了金刚石优异的导热性能和铜基体的高工作温度，同时具有适配集成器件的低膨胀系数和密度，是最佳新型热沉材料之一。相对于传统的自然散热和风冷形式，微通道热沉具有低热传导阻力、高传热系数和大比表面积等优点，可实现集成器件热量的快速传输。
以往的微通道热沉主要是由铜、铝等单一材料经过机械加工方式直接制备的，但热沉材料的导热性难以满足高热流密度集成器件的散热需求。由于金刚石/铜微通道热沉加工难度大，成型困难，目前对金刚石/铜的研究主要集中在材料的制备，而对成型制备热沉的相关研究基本没有。金刚石/铜混合粉末在模具中受压烧结成型热沉是一种有效可靠的方法。通过在金刚石/铜混合粉末中添加粘结剂(粘结剂由石蜡、聚乙烯、聚丙烯和硬脂酸混合而成)增加成型过程中流动性的方法能有效成型微通道热沉结构，保证成型质量。成型后的热沉结构经过加压烧结的方法能实现热沉的制备。但是，粘结剂的含量对烧结完的金刚石/铜热沉的致密度有重要的影响。过多的粘结剂含量会导致热沉烧结完致密度低而坍塌。过少的粘结剂会导致复合材料流动性差而导致热沉成型质量差，结构不完整。
因此，寻找一种有效的方法来提高金刚石/铜混合粉末的流动性，减少粘结剂的含量并获得孔隙率低、致密度高、硬度大、成型尺寸精确的微通道热沉显得十分重要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置，包括
压力机，所述压力机包括升降装置和设于所述升降装置内部的超声振子；
真空烧结炉，所述真空烧结炉包括炉体，设于所述炉体顶部的波纹管和设于所述炉体底部的成型模具；所述成型模具的顶部设有压块，所述成型模具的内部设有凸出部阵列结构；
所述升降装置向下延伸，穿过所述炉体的顶部和压块通过波纹管连接。
所述烧结炉顶部采用波纹管设计，保证密封的同时通过波纹管的收缩实现超声振动装置的压力加载。所述的超声振动压力加载通过波纹管作用于压块。超声振动的主要作用是通过传递音波的能量，将超声波传递到金属模具及含有粘结剂的金刚石/铜混合粉末处。在加压过程中实施超声的高频振动，通过金刚石/铜混合粉末之间的微小摩擦而加速混合粉末之间的流动，保证成型质量。此外，超声振动的加入也能将混合粉末内的空气排出，减少烧结过程中的铜粉的氧化。
优选的，所述成型模具包括通过紧固件连接的上模和下模。
优选的，所述下模的内部设有顶针。成型后的金刚石/铜热沉可以通过模具底部顶针进行取模。取模过程简单、方便、快捷。
优选的，所述超声振子外部连接超声波发生器。
本发明还提供一种采用上述用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置制备得到的超声辅助成型的金刚石/铜热沉。
优选的，所述超声辅助成型的金刚石/铜热沉包括微通道热沉结构，所述微通道热沉结构上设有若干条结构相同且平行等间距布置的翅片，所述翅片的截面形状为矩形，相邻翅片之间形成凹槽，均匀分布在整个热沉结构处。
优选的，所述翅片的个数为5-8个。
本发明还提供上述用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置在制备金刚石/铜热沉的应用，包括如下步骤：
S1：将粘结剂和混合粉末密炼，除杂后得到粘结混合粉末；所述混合粉末包括金刚石和铜；
S2：将所述粘结混合粉末加热至180-250℃后进行超声波热压，得到一次热压料；
S3：将所述一次热压料以0.1-0.3℃/min加热至450-550℃，脱脂，得到脱脂料；
S4：将所述脱脂料进行超声波热压，同时加热至900-940℃，保持80-100min后冷却，得到超声辅助成型的金刚石/铜热沉；
所述步骤S2或S4中，超声波热压的方法为：热压时，用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置中的升降装置和超声波发生器共同驱动超声振子，使压力机通过波纹管向压块施加超声振动压力，将超声振动压力作用于所述粘结混合粉末。
步骤S3中，脱脂环节需要严格控制升温速度，缓慢将金刚石/铜复合材料中的粘结剂裂解排除。随后，在步骤S4中持续升温并结合超声辅助进行加压烧结，增加烧结过程中的金刚石/铜混合粉末的流动性，进一步提升成品的致密度以及减小成型尺寸偏差。
优选的，所述混合粉末中，金刚石体积分数为50-70％。
进一步地，所述金刚石为粒径210-250μm的镀铬金刚石。
进一步地，所述铜为粒径8-12μm的铜粉。
进一步地，所述步骤S1中，除杂的方法为真空干燥。
优选的，所述步骤S1中，密炼的温度为160-200℃。
优选的，所述步骤S2或S4中，超声波热压时超声波发生器的超声振动频率为10-40kHz，纵向振幅为0.1-10μm。
优选的，所述步骤S2中，超声波热压的真空度1×10-3-5×10-3Pa。
优选的，所述步骤S2或S4中，超声波热压的成型压力为800-1500N。
优选的，所述步骤S2或S4中，压块的进给速度为1-3mm/min。
优选的，所述超声波发生器驱动的超声持续时间为8-12s；
优选的，所述步骤S2中，所述超声波发生器驱动超声振子进行3次超声。
优选的，所述步骤S4中，所述超声波发生器驱动超声振子进行6次超声。
优选的，所述步骤S2或S4中，加热时的升温速率均为1-3℃/min。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
在整个热沉制备过程中，由于超声振动能增加流动性的作用，可减少粘结剂的添加量来提高金刚石/铜复合材料微通道热沉烧结后的致密性。粘结剂的含量的减少可有效降低烧结脱脂环节的时间。此外，脱脂后热沉的超声辅助加压烧结能进一步提高热沉成型质量。烧结后的金刚石/铜热沉致密效果高、孔隙率低、硬度大，成型尺寸精确。
附图说明
图1为超声辅助成型金刚石/铜热沉制备原理图。
图2为模具安装部分示意图。
附图标记说明：1-升降装置，2-超声振子，3-波纹管，4-压块，5-真空烧结炉，6-上模，7-下模，8-混合粉末，9-凸出部阵列结构，10-顶针，11-超声发生器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
一种用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置，包括
压力机，包括升降装置1和设于升降装置1内部的超声振子2；
真空烧结炉5，包括炉体，设于炉体顶部的波纹管3和设于炉体底部的成型模具；成型模具的顶部设有压块4，成型模具的内部设有凸出部阵列结构9；
升降装置1向下延伸，穿过所述炉体的顶部和压块4通过波纹管3连接。
成型模具包括通过紧固件连接的上模6和下模7。
所述下模7的内部设有顶针10；
所述超声振子2外部连接超声波发生器11。
下模7加工有凸出部阵列结构9，包括若干截面形状为矩形、均匀平行排列的翅片，单个翅片宽度范围在1.2-2mm之间，深度范围在1-2mm之间，翅片间距1mm。
炉体顶部采用收缩性好的波纹管3密封。在成型烧结过程中，通过压力机带动超声振子2对压块4加载压力并施加超声振动。
实施例2
超声辅助成型金刚石/铜热沉的制备方法，具体步骤如下：
1)将粘结剂与金刚石/铜混合粉末(金刚石体积分数60％)通过密炼机在180℃下进行密炼得到粘结剂包覆金刚石/铜的混合粉末8。采用真空干燥机对密炼完的混合粉末进行烘干，去除混合粉末内的水分。
采用镀铬金刚石来增强金刚石与铜的界面结合，镀铬金刚石粒径为230μm。铜粉采用粒径为10μm的纯铜球粉。
2)将模具固定在烧结炉5的底部平台，将密炼完的混合粉末8每次称取同等重量填充到模具内。
3)升降装置1固定在压力机的顶部，通过压力机的升降运动带动升降装置1上下进给。超声振子2安装在升降装置1内部，跟着升降装置1一起进给运动。
4)将真空烧结炉5抽至真空度10-3Pa，对模具以2℃/min的加热速率进行加热，加热温度范围为180℃-250℃。待加热温度大于180℃，粘结剂开始融化，持续保持温度在180-250℃之间。
5)启动压力机，通过压力机的升降运动带动超声振子2和波纹管3对模具顶部压块4施加1200N的成型压力，进给速度1mm/min。同时，启动超声发生器11，通过压块4对模具内部的混合粉末8施加超声振动。超声振幅30-100％可选，单次超声持续时间为10s，加载期间连续施加3次超声。
6)继续以0.2℃/min的加热速率将混合粉末8缓慢加热至500℃进行脱脂。脱脂结束后对混合粉末8继续施加1200N的压力并结合超声振动以2℃/min迅速加热至920℃，保温90min。压力机进给速度1mm/min，单次超声持续时间为10s，加载期间连续施加6次超声。
7)模具自然冷却到室温。采用顶针10对成型后的试样进行取模，得到成型的超声辅助成型的金刚石/铜热沉。
效果评价
超声振动能增强复合材料的流动性。对两份同时减少粘结剂含量的金刚石/铜混合粉末进行实验对比，施加超声振动的金刚石/铜混合粉末烧结后致密度明显增强，致密度从74.9％提升到86.2％，提升幅度为11.3％。成型偏差显著减小，成型尺寸精度提升6.8％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置，其特征在于，包括
压力机，所述压力机包括升降装置(1)和设于所述升降装置(1)内部的超声振子(2)；
真空烧结炉(5)，所述真空烧结炉(5)包括炉体，设于所述炉体顶部的波纹管(3)和设于所述炉体底部的成型模具；所述成型模具的顶部设有压块(4)，所述成型模具的内部设有凸出部阵列结构(9)；
所述升降装置(1)向下延伸，穿过所述炉体的顶部和压块(4)通过波纹管(3)连接。
2.如权利要求1所述的用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置，其特征在于，所述成型模具包括通过紧固件连接的上模(6)和下模(7)。
3.一种采用权利要求1或2所述用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置制备得到的超声辅助成型的金刚石/铜热沉。
4.权利要求1或2所述用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置在制备金刚石/铜热沉的应用，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将粘结剂和混合粉末密炼，除杂后得到粘结混合粉末；所述混合粉末包括金刚石和铜；
S2：将所述粘结混合粉末加热至180-250℃后进行超声波热压，得到一次热压料；
S3：将所述一次热压料以0.1-0.3℃/min加热至450-550℃，脱脂，得到脱脂料；
S4：将所述脱脂料进行超声波热压，同时加热至900-940℃，保持80-100min后冷却，得到超声辅助成型的金刚石/铜热沉；
所述步骤S2或S4中，超声波热压的方法为：热压时，用于制备金刚石/铜热沉的超声辅助成型装置中的升降装置(1)和超声波发生器(11)共同驱动超声振子(2)，使压力机通过波纹管(3)向压块(4)施加超声振动压力，将超声振动压力作用于所述粘结混合粉末。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述混合粉末中，金刚石体积分数为50-70％。
6.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤S1中，密炼的温度为160-200℃。
7.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤S2或S4中，超声波热压时超声波发生器的超声振动频率为10-40kHz，纵向振幅为0.1-10μm。
8.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤S2或S4中，超声波热压的成型压力为800-1500N。
9.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤S2或S4中，压块(4)的进给速度为1-3mm/min。
10.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤S2或S4中，加热时的升温速率均为1-3℃/min。
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