CN201587973U - 制备高导热铜基复合材料的一体化装置 - Google Patents

制备高导热铜基复合材料的一体化装置 Download PDF

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郭宏
尹法章
张习敏
张永忠
徐骏
石力开
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Abstract

本实用新型涉及一种制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:包括炉体和真空泵,所述炉体内设炉腔,炉腔内包括中频熔炼装置、过流槽、预热炉和压力系统,所述的中频熔炼装置与炉腔动密封连接,所述过流槽通过导流管与所述预热炉相连接,所述预热炉与压力系统的上压头和下压头同轴,预热炉位于所述下压头的上方。通过该装置将制备高导热铜基复合材料所需的铜合金熔炼、浇注、压力熔渗在一个高真空的密封装置内完成,可一次完成高导热铜基复合材料的制备。

Description

制备高导热铜基复合材料的一体化装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种制备高导热铜基复合材料的一体化装置,具体为一种真空压 力熔渗制备高导热铜基复合材料的一体化装置。
背景技术
[0002] 随着电子技术迅速发展,电子产品的尺寸不断减小,性能呈级数提高,使得电子元 器件的散热、热应力及热变形等问题日益突出。
[0003] 纯铜密度为8. 96g/cm3,热导率约401W · πΓ1 · Κ—1,热膨胀系数为17Χ lO—K—1 ;金刚 石颗粒热导率达990〜2200W · πΓ1 · IT1,且热膨胀系数不超过1. 0 X KT6IT1,介电常数约为 5. 5,击穿场强约1000kV/mm,电阻率高,是优质的半导体材料和电子封装材料。将金刚石颗 粒与铜复合,制备的金刚石P/铜复合材料,其热导率可达600W ^nT1 ^r1以上,且热膨胀系 数可通过改变金刚石颗粒的体积分数来进行调节,实现电子封装材料对高导热低膨胀的要 求。为了满足超高功率电子器件的散热需求,金刚石P/铜复合材料得到了迅速发展。
[0004] 压力熔渗法制备铜基复合材料,是通过毛细管力或外界压力作用,使熔化的铜金 属或合金渗入增强体(金刚石、碳化硅等)多孔预制件中。
[0005] 中国专利“一体化镁基复合材料制备装置”(ZL200820028163. 0)公开了一种一体 化镁基复合材料制备装置,如图2所示,为一体化镁基复合材料制备装置结构示意图。图 中,1-真空泵,2-A阀门,3-B阀门,Il-C阀门,12-D阀门,4-气压罐,5-A电阻加热器,6-坩 锅,7-镁合金液,8-垫片,9-热电偶,10-压力表,13-传感器,14-三通进液管,15-坩锅盖, 16-熔炼腔,17-凸模,18-垫块,19-凹模桶,20-B电阻加热器,21-预制体,22-测温孔, 23-成型模,24-顶杆,25-进液管,26-密封腔,27-通气孔,28-浸渍模,29-复合材料坯料, 30-下垫板。
[0006] 将制备镁基复合材料所需的镁合金熔炼、浇注、浸渗、挤压成形四种工艺,在一个完全密封的一体化装置内完成。该装置包括熔炼装置和挤压成型装置,熔炼装置通过三通 进液管14与挤压成型装置的凹模桶19的模腔相连通,三通进液管14的第三端通过D阀门 12与气压罐4相连,凹模桶19的模腔通过管道与真空泵1连通,熔炼腔16还分别通过管 道与气压罐4相连和真空泵1连通。液位传感器13与坩锅盖15采用自密封螺纹连接,插 在熔炼腔16内,测金属液温度的热电偶9插在熔炼腔16内,保证与液面不接触。在熔炼腔 16与真空泵1之间的管道上安装有B阀门3。成型模23和凹模桶19之间采用间隙配合, 底部平齐,B电阻加热器20包围凹模桶19侧壁,靠近预制体21的中心部位开有三个直径 为Φ5的测温孔22,用于放置测温的热电偶。凹模桶19和成型模23底部出口用顶杆24进 行密封,在凹模桶19上端口上放置铜垫块18,利用凸模17加压进行密封,形成一个密封模 腔。真空泵1和凹模桶19之间的管道上安装有A阀门2,凹模桶19与连接真空泵的管道采 用自密封螺纹连接,三通进液管14与凹模桶19模腔采用自密封螺纹连接。将液位传感器 13和热电偶9的输出线连于外部接口电路,计算机通过外部电路接受电压变化信号。
[0007] 按上述方式连接装配完成后,关闭控制气压输入的C阀门11和D阀门12,关闭B阀门3,打开A阀门2,用真空泵对模腔及熔炼腔16内抽真空,当腔内真空度达到10〜15KPa时,停止抽真空,继续下一步操作;关闭A阀门2和B阀门3,关闭C阀门11,打开D阀门12, 通入Ar气,通过观察压力表10,控制气体压力在0. 2〜0. 9MPa ;启动温度控制系统,A电阻 加热器5加热2〜3小时,使坩锅温度保持在600〜850°C,B电阻加热器20加热1〜2小 时,使预制体及成型模温度控制在400〜700°C,使得AZ91D镁合金全部熔化;关闭D阀门 12,同时打开A阀门2和B阀门3,用真空泵对模腔及熔炼腔抽真空,利用压力平衡既能使熔 融镁合金不被吸进模腔,又能抽出预制体中的空气,避免在随后的浸渗过程中夹杂气体缺 陷,当炉腔内真空度达到10〜15KMPa时,停止抽真空;关闭A阀门2和B阀门3,打开C阀 门11,气体压力控制在0. 7〜0. 9MPa,利用气压和真空形成的压差将镁合金吸入凹模桶19 中,通过液位传感器13测液面高度,当达到所需镁合金量的液面高度时,关闭C阀门11,打 开D阀门12,实现镁合金的定量浇注;继续通人气压,使镁合金液在气压作用下向下渗流, 浸入到预制体21中,空冷降温,当凹模桶温度在400〜500°C时,关闭C阀门11,取走铜垫 块18及顶杆24,凸模17下行,将镁基复合材料挤出成型模23,一次成型出高性能镁基复合 材料制件。
[0008] 现有技术存在以下不足:熔炼装置采用电阻加热,加热效率低,不能满足熔炼铜的 要求;金属液输送利用负压通过导液管实现,而铜液温度高,凝固温度也高,在不加保温装 置时,铜液会在导液管中凝固;而且通过导液管导流速度有限,相对于本发明的倾转浇注所 需时间长,前端铜液会凝固而阻碍熔渗过程。
实用新型内容
[0009] 本实用新型的目的在于提供一种制备高导热铜基复合材料的一体化装置,铜合金 熔炼、浇注、压力熔渗可以在一个真空密闭的一体化装置内完成。
[0010] 为实现上述目的,本实用新型采取以下技术方案:
[0011] 一种制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:包括炉体和真空泵,所 述炉体内设炉腔,炉腔内包括中频熔炼装置、过流槽、预热炉和压力系统,所述的中频熔炼 装置与炉腔动密封连接,所述过流槽通过导流管与所述预热炉相连接,所述预热炉与压力 系统的上压头和下压头同轴,预热炉位于所述下压头的上方。
[0012] 一种优选的技术方案,其特征在于:所述中频熔炼装置由中频线圈、坩锅和A热电 偶组成;所述中频线圈与炉腔动密封连接,所述A热电偶置于坩锅内,所述坩埚置于中频线 圈内。
[0013] 一种优选的技术方案,其特征在于:所述的中频线圈设有倾转装置。
[0014] 一种优选的技术方案,其特征在于:所述的过流槽由流槽、B热电偶、A电阻加热器 和导流管组成,所述B热电偶和A电阻加热器置于流槽内,所述流槽与导流管相连接。
[0015] 一种优选的技术方案,其特征在于:所述预热炉由上模具、B电阻加热器、模具、多 孔预制件、C热电偶、A垫块、B垫块、C垫块、A基座、B基座、C基座和插销组成。
[0016] 一种优选的技术方案,其特征在于:所述上模具与模具内径相同,模具位于B电阻 加热器的中间位置,模具与B垫块、C垫块为紧配合,形成密封腔;上模具与B垫块为紧配 合,上模具与A垫块为间隙配合。
[0017] 一种优选的技术方案,其特征在于:所述过流槽通过导流管与所述预热炉相连接的具体方式为:所述过流槽的导流管与预热炉的上模具之间为滑动配合连接。
[0018] 一种优选的技术方案,其特征在于:所述的压力系统由压机上压头和下压头组成, 所述上压头与炉腔动密封连接,所述下压头与所述炉腔固定连接。
[0019] 现有镁基复合材料熔渗装置不能满足铜基复合材料熔渗要求,本实用新型提供一 种一体化的铜基复合材料真空压力熔渗装置,通过该装置将制备所需的高导热铜基复合材 料,其特点是铜或铜合金在中频坩锅熔炼到设定温度后,倾转浇注至过流槽,然后经导管导 入模具中,迅速加压熔渗,完成高导热复合材料的真空熔渗制备。熔炼、浇注、压力熔渗在一 个高真空的密封装置内完成,可一次完成高导热铜基复合材料的制备。
[0020] 本实用新型的有益效果是:本实用新型所述真空压力熔渗制备高导热铜基复合材 的一体化装置与现有的镁基复合材料制备装置有如下不同:
[0021] (1)现有的熔炼装置采用电阻加热,而本实用新型的熔炼装置采用中频线圈;
[0022] (2)现有装置采用压差对镁合金液实现定量浇注,而本实用新型采用中频线圈倾 转浇注;
[0023] (3)本实用新型包含一个可加热的流槽,通过导管将金属液从流槽导入模腔。
[0024] (4)现有装置采用气体压力熔渗制备镁基复合材料,本实用新型采用机械加压实 现金属压力熔渗。
[0025] 本实用新型熔炼装置采用中频线圈加热,加热效率高,可以满足熔炼铜的要求;金 属采用中频线圈倾转浇注,所需时间短,利于铜液的转移,在不加保温装置时,铜液不易在 导液管中凝固;前端铜液不会凝固而阻碍熔渗过程。
[0026] 本实用新型通过一体化真空压力熔渗制备高导热铜基复合材料的装置的设计,将 制备高导热铜基复合材料的熔炼、浇注、压力熔渗在一个真空密闭的一体化装置内完成。
[0027] 下面通过附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明,但并不意味着对本实 用新型保护范围的限制。
附图说明
[0028] 图1是本实用新型真空压力熔渗制备高导热铜基复合材料一体化装置结构示意 图。
[0029] 图2是现有一体化镁基复合材料制备装置结构示意图。 具体实施方式
[0030] 图1是本实用新型真空压力熔渗制备高导热铜基复合材料一体化装置结构示意 图。图中,1-真空泵,2-炉腔,3-中频铜线圈,4-坩锅,5-A热电偶,6-流槽,7-B热电偶,8-A 电阻加热器,9-导流管,10-密封圈,11-上压头,12-A垫块,13-B垫块,14-上模具,15-B电 阻加热器,16-模具,17-多孔预制件,18-C热电偶,19-C垫块,20-A基座,21-B基座,22-C基 座,23-插销,24-下压头。
[0031] 参照图1,本实用新型的一体化装置包括炉体和真空泵1,所述炉体内设密封真空的炉腔2,炉腔2内包括中频熔炼装置、过流槽、预热炉和压力系统,中频熔炼装置与炉腔动 密封连接,过流槽通过导流管9与所述预热炉相连接,预热炉与压力系统的上压头11和下 压头24同轴,预热炉位于所述下压头24的上方。[0032] 熔炼装置由中频铜线圈3、坩锅4、A热电偶5组成,中频铜线圈3与A热电偶5相连接,坩埚置于中频铜线圈内,中频铜线圈3与炉腔2采用动密封连接,A热电偶5置于坩 锅4内,坩埚4置于中频铜线圈3内。中频铜线圈3设有倾转装置,在外力作用下中频铜线 圈3可倾转。
[0033] 过流槽由流槽6、B热电偶7、A电阻加热器8、导流管9组成,B热电偶7和A电阻 加热器8置于流槽6内,导流管9滑动配合连接流槽6和上模具14。
[0034] 所述预热炉由A垫块12、B垫块13、上模具14、B电阻加热器15、模具16、多孔预制 件17、C热电偶18、C垫块19、A基座20、B基座21、C基座22、插销23组成;上模具14与 模具16内径相同,模具16与B垫块13、C垫块14为紧配合,上模具14与B垫块13为紧配 合,在上压头11施加压力时可沿上模具14内壁滑动,上模具14与A垫块12为间隙配合, 模具16位于B电阻加热器15的中间位置,其对中度和高度由C垫块19、A基座20、B基座 21、C基座22、插销23共同实现。形成密封腔。过流槽中的流槽6与导流管9相连接,所述 导流管9与预热炉的上模具14之间为滑动配合连接。
[0035] 压力系统由压机上压头11、下压头24组成;上压头11与炉腔2动密封连接,下压 头24固定在炉腔上。
[0036] 将适量自熔炼铜合金装入坩锅4内,将多孔Diamond预制件17装入模具16中,并 按上述方式连接完成装配。用真空泵1抽真空,当炉腔2内真空度达到10〜20KPa时,开启 A电阻加热器8、B电阻加热器15和中频线圈3,加热30〜40分钟后,坩锅4达到1200〜 1250°C,流槽6达到300〜400°C,预热炉达到700〜800°C,通过倾转装置,在外力作用下 使中频铜线圈3倾转,将坩锅4内的铜合金液倒入流槽6中,经导流管9倒入模具16中,启 动压力系统,上压头11下行,对铜合金液施压,加压至3〜4吨压力后停止施压,关闭中频 铜线圈3、A电阻加热器、B电阻加热器,降温至100°C左右,开启炉腔2,取出模具16,脱模即 得到高导热Cu/Diamond复合材料。
[0037] 本实用新型中的中频线圈可以是中频铜线圈,也可以是其它材料的中频线圈。

Claims (8)

  1. 一种制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:包括炉体和真空泵,所述炉体内设炉腔,炉腔内包括中频熔炼装置、过流槽、预热炉和压力系统,所述的中频熔炼装置与炉腔动密封连接,所述过流槽通过导流管与所述预热炉相连接,所述预热炉与压力系统的上压头和下压头同轴,预热炉位于所述下压头的上方。
  2. 2.根据权利要求1所述的制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:所述 中频熔炼装置由中频线圈、坩锅和A热电偶组成;所述中频线圈与炉腔动密封连接,所述A 热电偶置于坩锅内,所述坩埚置于中频线圈内。
  3. 3.根据权利要求2所述的制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:所述的中频线圈设有倾转装置。
  4. 4.根据权利要求3所述的制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:所述 的过流槽由流槽、B热电偶、A电阻加热器和导流管组成,所述B热电偶和A电阻加热器置于 流槽内,所述流槽与导流管相连接。
  5. 5.根据权利要求4所述的制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:所述 预热炉由上模具、B电阻加热器、模具、多孔预制件、C热电偶、A垫块、B垫块、C垫块、A基 座、B基座、C基座和插销组成。
  6. 6.根据权利要求5所述的制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:所述 上模具与模具内径相同,模具位于B电阻加热器的中间位置,模具与B垫块、C垫块为紧配 合,形成密封腔;上模具与B垫块为紧配合,上模具与A垫块为间隙配合。
  7. 7.根据权利要求6所述的制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:所述 过流槽通过导流管与所述预热炉相连接的具体方式为:所述过流槽的导流管与预热炉的上 模具之间为滑动配合连接。
  8. 8.根据权利要求7所述的制备高导热铜基复合材料的一体化装置,其特征在于:所述 的压力系统由压机上压头和下压头组成,所述上压头与炉腔动密封连接,所述下压头与所 述炉腔固定连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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