FI86604B - Pulvermetallurgiskt sprutpressningsfoerfarande. - Google Patents

Description

1 86604

Jauhemetallurginen ruiskupuristusmenetelmä. - Pulver-metallurgiskt sprutpressingsförfarande.

Esillä olevan keksinnön kohteena ovat metallien sekoitusten valmistusmenetelmät. Tarkemmin sanoen esillä olevan keksinnön kohteena ovat kuparin ja volfrämin sekoituksien, jotka sisältävät noin 5-50 painoprosenttia kuparia, ruiskupuristusmenetelmä.

Aikaisemmin on ollut huomattavia vaikeuksia valmistaa tyydyttäviä muotoja kuparin ja volframin sekoituksista. Kuparin ja volframin seoksia ei ole yleensä ollut mahdollista valmistaa nestemäisenä sekoituksena. Kuparin ja volframin sekoitukset on aikaisemmin valmistettu käyttämällä puristus- ja sintraustekno-logiaa ja jauhemaista metallia. Tällaisilla menetelmillä valmistettujen tuotteiden tiheys ja lämmönjohtavuus ovat yleensä alhaisia johtuen jäljelle jääneestä huokoisuudesta. Lämmönjoh-tavuutta voidaan jonkin verran lisätä ja huokoisuutta jonkin verran alentaa puristamalla näitä tuotteita mekaanisesti. Tällaiset menetelmät eivät kuitenkaan ole täysin tyydyttäviä, ja ne rajoittuvat yksiakselisesti puristettuihin osiin.

Suuren suorituskyvyn elektroniikassa ja erityisesti sotilas- ja avaruussovellutuksissa on tavanomaista laittaa mikropiirisirut hermeettisesti suljettuihin, "pakkauksina" tunnettuihin säiliöihin. Näissä pakkauksissa on välttämättä oltava sähköisesti eristettyjä johtoja, jotka ulottuvat pakkauksen seinämien läpi. Näiden johtojen on oltava hermeettisesti suljettuna ja sähköisesti eristettyjä. Nämä elektroniset pakkaukset on yleensä tarkoitettu sisältämään lämpöä kehittäviä komponentteja, jolloin on erittäin toivottavaa, että pakkaus on muodostettu materiaaleista, joiden lämmönjohtavuus on korkea.

Pakkausten on oltava hermeettisesti suljettuja, jotta voitaisiin suojata niiden sisältämät sähköiset komponentit. Koska nämä pakkaukset kulkevat minuuteissa merenpinnan tasolta uiko- 2 86604 avaruuden tyhjöön, mitään kaasujen vuotamista ei voida sallia.

Materiaalit, joita käytetään sulkemaan aukot, joiden läpi sähköjohdot kulkevat, ovat yleensä epäelastisia ja niiden lämpö-laajenemiskertoimet poikkeavat huomattavasti useimpien metalli-materiaalien arvoista. Lämpövaihtelut aiheuttavat siten tiivisteeseen jännityksen ja osaltaan edistävät sen nopeaa pettämistä.

Nämä ja muut alan aikaisemmat vaikeudet voidaan välttää esillä olevan keksinnön mukaisesti käyttämällä patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaista menetelmää, jolle on tunnusomaista patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa esitetyt asiat. Keksintö tuo esiin aineseoksen, joka muodostuu suuritiheyksisestä kuparin ja volframin sekoituksesta, jolla on suuri lämmönjohta-vuus ja lämpölaajeneminen, joka voidaan sovittaa yhteen monien epäelastisten eristämis-tiivistysmateriaalien, kuten lasin ja keramiikan lämpölaajenemiseen. Kuparin ja volframin suuriti-heyksinen sekoitus on erittäin läpäisemätön kaasun suhteen.

Kuparin ja volframin seos valmistetaan esillä olevan keksinnön mukaisesti jauhemetallurgisella menetelmällä, jossa ruiskupu-ristetaan monimutkaisten muotojen muodostamiseksi ja jossa käytetään osan tiheyttämiseen nestefaasia käyttävää sintrausvai-hetta. Tällaisia valumenetelmiä on jo yleisesti ehdotettu:

Kts. esimerkiksi Wiech, US-Patentit 4,374,457, 4,305,756 ja 4,445,956. Tälllaisten menetelmien kuvaukset ovat löydettävissä näistä aikaisemmista wiech'in patenteista.

Jauhemetallurgisilla menetelmillä, joissa käytetään ruiskupuristusta ja sintrausta nestefaasissa, on kyky tuottaa nettomuo-toisia, ulkomuodoltaan erittäin monimutkaisia osia erittäin tarkoin toleranssein. Nettomuotoiset osat ovat niitä osia tai tuotteita, joita ollakseen hyödyllisiä aiotuissa tarkoituksisa, ei tarvitse lainkaan enempää työstää, muotoilla tai muovata 3 86604 nestesintrausfaasia pidemmälle. Saavutettavat toleranssit ovat alle +/- 0,003 cm kohti. Osien muodot voivat olla erittäin monimutkaisia, koska tuote on ruiskupuristettu.

Hermeettisesti suljetun elektronisen pakkauksen heliumkaasun vuotonopeudeksi on yleensä määritelty enintään 1 x 101-9 cm3 heliumia sekuntia kohti. Tämän keksinnön mukaisesti valmistettujen kuparin ja volframin sekoitustuotteiden vuotonopeudet ovat yleensä niinkin alhaisia kuin noin 2 x 10-10 cm3 heliumia sekuntia kohti. Tästä materiaalista rakennettujen elektronisten pakkausten "hermeettisyys" on siten oleellisesti parempi kuin mitä edellytetään.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti valmistetun kuparin ja volframin sekoituksen lämmönjohtavuus on yleensä parempi kuin noin 0,40 ja mieluummin vähintään 0,42 cal-cm/cm2 sek. "C mitattuna noin 390°C lämpötilassa. Tämä lämmönjohtavuus on mitattu aineelle, joka sisältää noin 5 painoprosenttia kuparia. Kun kuparia on mukana alle noin 5 painoprosenttia, esillä olevan keksinnön edut eivät yleensä täysin toteudu. Kun kuparin määrä on 25 painoprosenttia, lämmönjohtavuus on yleensä yli noin 0,60 ja mieluummin vähintään noin 0,65 cal-cm/cm2 sek. °C mitattuna noin 390°C lämpötilassa. Aineelle, joka sisältää noin 35 painoprosenttia kuparia, ja lämmönjohtavuus on yleensä yli noin 0,75 ja mieluummin vähintään noin 0,80 cal-cm/cm2 sek. °C mitattuna noin 390eC lämpötilassa. Yli noin 50 painoprosentin kuparikon-sentraatioissa eivät esillä olevan keksinnön edut yleensä täysin toteudu.

Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin on yleensä suoraan verrannollinen kuparin tilavuusprosenttiin volfrämissä. Noin 7,0 miljoonasosaa/°C vastaa 11 painoprosenttia kuparia ja 9,4 miljoonasosaa/°C vastaa noin 25 painoprosenttia kuparia.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti valmistetun kupari-volframi-materiaalin lineaarinen lämpölaajenemiskerroin voidaan tavaili- . 86604 4 sesti sovittaa elektronisen pakkauksen eristämis-tiivistämisma-teriaalin arvoon säätämällä kuparin prosenttimäärää seoksessa.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti valmistettujen kupari-volframimateriaalisten tuotteiden lämpökäyttäytyminen, erityisesti, kun tätä tarkastellaan hermeettisyyden ja näiden materiaalien ulkomuodoltaan nettomaisena tapahtuvan valmistuksen valossa, vie alaa erittäin merkittävästi eteenpäin. Nettomuo-toisen tuotteen saamisesta johtuen voidaan jättää pois monet elektronisten pakkausten aikaisemmat koneistus- ja kokoamistar-peet. Koska elektronisten pakkausten kokoamiseen aikaisemman tekniikan mukaisesti on usein liittynyt kovajuottamis- ja juottamisvaiheet, jotka ovat antaneet kaasuvuodoille mahdollisuuden, esillä olevan keksinnön mukainen, useimpien tällaisten vaiheiden poisjättäminen parantaa suuresti elektronisten pakkausten luotettavuutta. Esillä olevaa keksintöä käyttämällä on mahdollista lisätä pakkauksen tehon tiheyttä ja samalla säilyttää sama tai parempi luotettavuus.

Sähköjohdot, jotka johtavat sähkövirran elektroniseen pakkaukseen ja siitä ulos, on mahdollista valmistaa samasta keksinnön mukaisesti valmistetusta kupari-volframimateriaalista. Näiden johtojen lämpökäyttäytyminen voidaan siten tehdä kotelon mukaiseksi. Koska suuritiheyksinen kupari-volframimateriaali on hyvä sähköjohdin, myös pakkauksen sähköinen tehokkuus on erinomainen .

Kupari- ja volframi-raaka-aineet, jotka on tarkoitus käyttää esillä olevan keksinnön mukaisesti, saadaan erittäin hienojakoisessa muodossa ja erittäin puhtaassa tilassa. Kuparimate-riaalin hiukkaskoko on yleensä alle noin 20 mikronia, ja volf-ramijauheen keskimääräinen hiukkaskoko on alle noin 40 mikronia. Näiden materiaalien keskimääräinen hiukkaskoko on yleensä alle noin 10 mikronia. Hiukkasten päällä olevan pintahapen määrällä on oleellinen vaikutus valmiin tuotteen laatuun. Kun pintahapen konsentraatiot ovat yli noin 5000 miljoonasosaa 5 86604 kuparista laskettuna, tulokset sintrausvaiheen aikana ovat hyvin epäsäännöllisiä ja arvaamattomia. Voi framihiukkasten päällä olevan pintahapen konsentraation tulisi myös olla alle noin 1500 miljoonasosaa. Hiukkaset ovat muodoltaan oleellisesti sama-akselisiä. Raaka-aineiden epäpuhtaudet tulisi pitää ehdottomassa minimissä. Esimerkiksi niinkin pieni määrä nikkeliä kuin 2 %, pienentää lämmönjohtavuutta jopa 30 - 40 %. Niinkin pieni määrä kuin 0,3 % erilaisia epäpuhtauksia, kuten esimerkiksi oksideja ja lyijyn ja tinan hivenmäärät voivat alentaa 1ämmönjohtavuutta jopa 15 - 20 %.

ESIMERKIT

Seuraavien yksittäisten esimerkkien tarkoituksena on havainnollistaa keksintöä sitä kuitenkaan rajoittamatta.

Tämän keksinnön eräässä suositellussa suoritusmuodossa valmistettiin erittäin puhdasta kupari-volframimateriaalia, joka sisälsi 35 painoprosenttia kuparia ja 65 painoprosenttia voi främiä. Voi framijauheen keskimääräinen hiukkaskoko oli 1 - 2 mikronia, pintahapen pitoisuus alle noin 1400 miljoonasosaa ja muita epäpuhtauksia noin 300 miljoonasosaa. Käytetyn kupari-jauheen keskimääräinen hiukkaskoko oli 8 - 10 mikronia, pintahapen pitoisuus alle 800 miljoonasosaa määritettynä vedyn painohäviönä, ja muita epäpuhtauksia alle 500 miljoonasosaa. Sekä volframi- että kuparijauhehiukkaset olivat oleellisesti sama-akselisiä. Valmistettu sideaine sisälsi 39,47 painoprosenttia polypropyleeniä, 9,74 painoprosenttia karnaubavahaa, 48,73 painoprosenttia parafiinivahaa ja 2,06 painoprosenttia steariinihappoa. Sideainetta sekoitettiin 4,3 painoprosenttia edellä mainittujen kupari-voi framijauheiden kanssa. Sekoittaminen suoritettiin tyhjössä, jotta sideaine kostuttaisi paremmin hiukkasten pinnan ja jotta estettäisiin ilman joutuminen mukaan. Näin pienennettiin valmiin tuotteen huokoisuutta ja parannettiin 1ämpöominaisuuksia.

6 86604

Halutun muotoinen tuote valmistettiin ruiskupuristamal1 a saatu sideaineen ja metal 1ijauheiden sekoitus. Tuote, nk. raakaosa, kuumennettiin ilmassa noin 207°C lämpötilaan 2 päiväksi vahan poistamista varten. Saatua välituotetta kuumennettiin sen jälkeen kaasukehässä, joka sisälsi 25 tilavuusprosenttia vetyä ja 75 tilavuusprosenttia typpeä, enintään noin 800°C lämpötiloissa, kunnes polypropyleeni oli poistunut. Tämän jälkeen lämpötila nostettiin noin 1235°C:een ja pidettiin tässä noin 3 tuntia kaasukehässä, joka sisälsi 75 tilavuusprosenttia vetyä ja 25 tilavuusprosenttia typpeä. Saadun sintratun nettomuotoi-sen tuotteen annettiin jäähtyä noin 6 tuntia huoneen lämpötilaan. Mielenkiinnon kohteena oleviksi fysikaalisiksi ominaisuuksiksi määritettiin seuraavat arvot:

Lineaarinen lämpö- Lämmön johtavuus 1 aa ienemiskerroin Tiheys (Cal-cm/cm2 sek. (ppm/°C) (g/cm3) °C) 0,864 397°C:ssa 10,4 41 - 263°C:ssa 12,9 (97 % täydestä tiheydestä) 0,689 268°C:ssa 0,537 89°C:ssa ppm = miljoonasosa Näiden muotoiltujen tuotteiden hermeettisyyden vuotonopeus on noin 2 x 10-10 cm3 heliumia sekunnissa.

Kun tämä ensimmäinen esimerkki toistetaan 5 ja 50 painoprosentin kuparipitoisuudella, saadaan vastaavasti tuotteet, joilla 86604 on seuraavat ominaisuudet: (a) 5 painoprosentin kuparipitoisuudella 1ämmönjohtavuus on 0,45 cal-cm/cm2 sek. °C mitattuna noin 390C:ssa, ja lineaarinen lampolaajenemiskerroin on 5,6 miljoonasosaa °C kohti 41 - 263°C:ssa; ja (b) 50 painoprosentin kuparipitoisuudessa on 1ämmönjohtavuus 0,87 cal-cm/cm2 sek. °C mitattuna noin 390°C:ssa, ja lineaarinen lampolaajenemiskerroin on 11,7 miljoonasosaa °C kohti 41 - 263°C:ssa.

Suositellun suoritusmuodon toisessa esimerkissä alennettiin kuparipitoisuus 15 painoprosenttiin ja voi framipitoisuus nostettiin 85 painoprosenttiin. Jälleen käytettiin saman tyyppisiä jauheita kuin mitä on kuvattu ensimmäisessä esimerkissä. Sekoitus-, ruiskupuristus- ja sideaineen poistamis-menetelmät olivat jälleen samoja. Sintrauslämpötila nostettiin kuitenkin 1450°C:een. Mielenkiinnon kohteena olevat fysikaaliset ominaisuudet määritettiin. Lineaarinen lämpölaa-jenemiskerroin oli 7,56 miljoonasosaa °C kohti ja tiheys oli 15,3 g/cm3. Tiheys on 94 % täydestä teoreettisesta tiheydestä.

Toistamalla tämä toinen esimerkki saadaan tuote, jonka lämmön-johtavuus on noin 0,57 cal-cm/cm sek. °C mitattuna noin 390°C:ssa.

Kolmannessa esimerkissä valmistettiin erittäin puhdasta kupari-voi f ramimateriaal ia , joka sisälsi 25 painoprosenttia kuparia ja 75 painoprosenttia volframia. Käytetyn voi framijauheen keskimääräinen hiukkaskoko oli 1-2 mikronia, pintahapen pitoisuus alle noin 1400 miljoonasosaa ja muita epäpuhtauksia noin 300 miljoonasosaa. Käytetyn kupari jauheen keskimääräinen hiukkaskoko oli noin 8-10 mikronia, puhtaus noin 99,95 % kuparia, pintahapen pitoisuus alle 800 miljoonasosaa määritet- 8 86604 tynä vedyn painohäviönä ja muita epäpuhtauksia alle 500 miljoonasosaa. Sekä volframi- että kuparihiukkaset olivat oleellisesti sama-akselisiä. Valmistetun sideaineen koostumus oli 39,47 painoprosenttia polypropy1eeniä, 9,74 painoprosenttia karnaubavahaa, 48,73 painoprosenttia parafiinia ja 2,06 painoprosenttia steariinihappoa. Volframi- ja kupari jauheet suhteutettiin niin, että kuparia käytettiin 25 painoprosenttia ja volframia 75 painoprosenttia. Metal 1ijauhetta sekoitettiin sideaineen kanssa sellainen määrä, että saadusta sekoituksesta 4,3 painoprosenttia oli sideainetta. Tämä sekoittaminen suoritettiin tyhjässä, jotta sideaine kostuttaisi paremmin hiukkasten pinnan ja jotta ilmaa jäisi vähemmän mukaan. Tällä tavoin pienennettiin valmiin tuotteen huokoisuutta ja parannettiin lämpöominaisuuksia. Halutun muotoinen tuote valmistettiin ruiskupuristamalla saatu sideaineen ja metal 1ijauheiden sekoitus. Tuote, nk. raakaosa, kuumennettiin ilmassa noin 207°C lämpötilaan kahdeksi päiväksi vahan poistamista varten. Sen jälkeen kuumennettiin saatua välituotetta kaasukehässä, joka sisälsi 25 tilavuusprosenttia vetyä ja 75 tilavuusprosenttia typpeä, enintään noin 500°C lämpötiloissa, kunnes polypropyleeni oli poistunut. Sen jälkeen lämpötila nostettiin noin 1235°C:een ja pidettiin tässä lämpötilassa noin 3 tuntia.

Saadun sintratun nettomuotoisen tuotteen annettiin jäähtyä noin 6 tuntia. Lämmönjohtavuudeksi määritettiin 0,496 cal-cm/cm2 °C noin 390°C:ssa.

Kun tämä koe toistettiin käyttämällä kupari jauhetta, jonka puhtaus oli 99,7 % ja joka sisälsi noin 0,24 painoprosenttia liukenemattomia oksideja ja hivenmäärät lyijyä, piitä, kalsiumia, magnesiumia ja tinaa, saatiin tuote, jonka lämmön-johtavuus oli 0,401 cal-cm/cm2 sek. °C noin 390°C:ssa.

Kun nämä kokeet toistetaan käyttämällä tiiviyden maksimoivia hiukkaskokojakaantumia, lämmönjohtavuus saadaan paremmaksi kuin noin 0,42 cal-cm/cm2 sek. °C.

9 86604

Kun tämä koe toistettiin käyttämällä samaa kuparimateriaalia, jonka puhtaus oli 99,7 % ja joka sisälsi 2 painoprosenttia nikkeliä, saatiin tuote, jonka lämmönjohtavuus oli vain 0,293 cal-cm/cm2 sek. °C.

Edellä kuvatut ovat suositeltuja suoritusmuotoja, joita voidaan muunnella ja parantaa poikkeamatta oheisten patenttivaatimusten hengestä ja alasta.

Claims (5)

10 86604

1. Jauhemetallurginen ruiskupuristusmenetelmä, jossa käytetään nestefaasisintrausta muodostamaan nettomuotoisia tuotteita, tunnettu siitä, että menetelmässä: valitaan kuparijauhe, jonka keskimääräinen hiukkaskoko on alle noin 20 mikronia ja jossa on alle noin 5000 miljoonasosaa pin-tahappea ja joka sisältää alle noin 500 miljoonasosaa muita epäpuhtauksia; valitaan volframijauhe, jonka keskimääräinen hiukkaskoko on alle noin 40 mikronia ja jossa on alle noin 1500 miljoonasosaa pintahappea ja joka sisältää alle noin 300 miljoonasosaa muita epäpuhtauks ia; sekoitetaan mainitut volframi- ja kuparijauheet tyhjössä sideaineen kanssa niin, että muodostuu sekoitus/ ruiskupuristetaan sekoitus ennalta määrättyyn raakamuotoon/ poistetaan sideaine mainitusta raakamuodosta/ ja sintrataan raakamuoto niin, että muodostuu nettomuotoinen tuote.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jauhemetallurginen ruiskupuristusmenetelmä, tunnettu siitä, että mainittu nettomuotoinen tuote on kupari-volframimateriaalia, jossa on noin 5-50 painoprosenttia kuparia ja loppuosa olennaisesti volf-ramia, jolloin mainitulla materiaalilla on: hermeettisyys, jossa vuotonopeus on alle 1 x 10-X cm1 heliumia sekunnissa/ lämmönjohtavuus arvosta noin 0,4 cal-cm/cm2 kuparipitoisuudella noin 5 painoprosenttia arvoon noin 0,68 cal-cm/cm2 kuparipitoisuudella noin 50 painoprosenttia/ ja lämpölaajeneminen arvosta noin 5,5 miljoonasosaa/°C kuparipitoisuudella 5 painoprosenttia arvoon noin 11,7 miljoonasosaa/°C kuparipitoisuudella 50 painoprosenttia. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jauhemetallurginen ruiskupuristusmenetelmä, tunnettu siitä, että nettomuotoinen 11 86604 tuote on muodoltaan elektroninen pakkaus, jonka lämmönjohtavuus on arvosta yli noin 0,42 cal-cm/cma kuparipitoisuudella 5 painoprosenttia arvoon yli noin 0,60 cal-cm/cm2 kuparipitoisuudella noin 25 painoprosenttia ja arvoon noin 0,70 cal-cm/cma kuparipitoisuudella noin 50 painoprosenttia.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen jauhemetallurginen ruiskupu-ristusmenetelmä, tunnettu siitä, että mainittu netto-muotoinen tuote on 5 - 50 prosenttisesti kuparia ja loppuosa volfrämiä.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jauhemetallurginen ruiskupu-ristusmenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä valitaan hiukkaskokojakaantumaltaan sellainen volframijauhe, että tämä maksimoi sekoitusten tiiviyden. i2 86604