一种高密度粉末注射成形铜散热器的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高密度粉末注射成形铜散热器的制备方法，该方法通过粗铜粉进行预氧化，并与一定比例和规格的细铜粉及铜合金粉混合，再与粘结剂混炼制备成喂料后，进行注射成形及脱脂，然后使用真空烧结炉先后进行氢气气氛烧结、真空烧结及加压烧结，获得高密度、高性能的粉末注射成形铜散热器零部件烧结件。与现有技术中粉末注射成形的制备方法相比，本发明专利技术提出的制备方法实现了预氧化活化烧结作用、细粉活化烧结作用、液相烧结作用、真空与加压烧结联合作用等多种促进烧结致密化机制，可显著提升材料烧结致密度及综合性能，可满足高热流半导体对高性能、复杂结构铜散热器的性能要求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种高密度粉末注射成形铜散热器的制备方法


[0001]本专利技术涉及粉末冶金
，具体涉及一种高密度粉末注射成形铜散热器的制备方法。

技术介绍

[0002]随着半导体器件的不断发展，其小型化、大功率的特点显著增强，使得热流密度进一步增加。由于温度升高，半导体器件易出现故障率提升、服役寿命降低等问题。金属铜导热性能优异，是用于高热流功率半导体散热器的理想材料。为进一步提高铜散热器的散热能力，在结构设计方面应尽可能地提高散热器的翅片数量和形状复杂度，以最大限度的提高散热器比表面积，进而提高散热器表面与冷却介质的换热效率。
[0003]然而，随着散热器翅片结构复杂性的提高，传统工艺往往不再能够满足铜散热器的性能要求。例如，对于目前常用的针翅散热器，传统的锻造工艺难以实现针翅间距≤1.5mm的散热器的制备。如采用粉末注射成形技术，虽然能够解决复杂结构散热器的成形问题，但对于铜基粉末注射成形零件，若使用纯铜粉进行单纯固相烧结，致密度难于突破95％，材料中大量孔隙的存在导致热导率、力学性能损失严重，且部件密封性也往往不符合液冷的应用要求。因此，现有技术中，采用粉末注射成形技术制备的铜散热器零部件的致密化程度较低，导致其综合性能下降，限制了产品的广泛应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高密度粉末注射成形铜散热器的制备方法，该制备方法克服了现有技术中粉末注射成形难以制备高密度铜基散热器的问题，能够有效提升材料致密度以及综合性能。
[0005]为此，本专利技术提供了一种高密度粉末注射成形铜散热器的制备方法，其包括以下步骤：
[0006]S1、将粗铜粉进行预氧化，然后与细铜粉、铜合金粉末混合均匀，制备得到原料粉末；其中，所述细铜粉的粒度小于所述粗铜粉的粒度；
[0007]S2、将所述原料粉末与粘结剂混合均匀，然后依次经注射成形、脱脂，制备得到坯体；
[0008]S3、将所述坯体进行烧结，所述烧结包括依次进行氢气气氛烧结、真空烧结、加压烧结；所述烧结结束后降温，即制备得到铜散热器零部件。
[0009]根据本专利技术的技术方案，采用上述原料粉末可从多个方面促进烧结致密化，具体地，粗铜粉经预氧化后能够在后续的还原条件下生成新生态原子，实现活化烧结，进而促进烧结致密化；细铜粉的烧结活性较高，有利于促进烧结致密化；铜合金粉末的熔点低于纯铜，通过采用低熔点的铜合金粉末可在烧结过程中产生少量液相，从而促进烧结致密化。
[0010]进一步，步骤S1中，所述原料粉末中，所述细铜粉的质量分数为15～45％，所述铜合金粉末中铜以外金属的质量分数为0～2％。
[0011]在一些实施方式中，所述原料粉末中，所述铜合金粉末中铜以外金属的质量分数大于0，且小于等于2％。
[0012]进一步，所述粗铜粉的粒度为325～800目。
[0013]进一步，所述细铜粉的粒度小于等于600目。
[0014]进一步，步骤S1中，所述预氧化在空气气氛条件下进行。
[0015]进一步，步骤S1中，所述粗铜粉和所述细铜粉为雾化铜粉。
[0016]进一步，步骤S1中，所述铜合金包括选自下组的一种或两种以上的组合：铜锌合金(CuZn)、铜锡合金(CuSn)、铜铬合金(CuCr)、铜锆合金(CuZr)、铜锰合金(CuMn)、铜锰镍合金(CuMnNi)。
[0017]根据本专利技术的技术方案，步骤S2中，对粘结剂的种类不做限定，可采取本领域常用的粘结剂，例如包括但不限于石蜡、聚乙二醇、聚丙烯、聚乙烯、硬脂酸、乙烯
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醋酸乙烯共聚物(EVA)等。
[0018]进一步，步骤S2中，所述脱脂为溶剂脱脂、催化脱脂、氢气气氛下的低温脱脂中的一种或两种以上的组合。
[0019]进一步，步骤S3中，将所述坯体放入烧结炉内进行所述烧结，在升温至700℃之前进行氢气气氛烧结；升温至700℃后采用真空烧结，真空烧结的最高温度大于等于所述铜合金粉末的熔点、且小于等于1080℃；所述真空烧结结束后，保持温度不变，在惰性气体气氛下进行加压烧结。
[0020]根据本专利技术的技术方案，通过氢气气氛烧结、真空烧结和加压烧结，能够实现在高温金属软化条件下，利用外部气体压力的作用，使材料内部孔隙进一步压缩，提高材料的致密度。
[0021]进一步，所述真空烧结步骤中，当升温至距所述最高温度100℃时，采取1～2℃/min的升温速率加热至所述最高温度。
[0022]进一步，所述加压烧结步骤中，所述惰性气体的压力＞1bar，通入所述惰性气体的流量速度≥1m3/min，保压保温时间为20～40min。
[0023]进一步，所述惰性气体包括选自下组的一种或两种以上的组合：氦气、氖气、氩气。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：
[0025]与常规的粉末注射成形的制备技术相比，本专利技术提出的制备方法实现了预氧化粗铜粉的活化烧结作用、细铜粉活化烧结作用、低熔点合金粉的液相烧结作用，还采取了氢气气氛烧结、真空烧结与加压烧结联合作用等多种促进烧结致密化的机制，可显著提升烧结致密化，材料致密度达98％以上，热导率≥300W/(m
·
K)，可满足高热流半导体对高性能、复杂结构铜散热器的性能要求。
[0026]并且，本专利技术的制备方法尤其适合用于生产各种铜基零部件，这是由于本专利技术制备得到的产品的密度、物理性能等均有大幅提升，
具体实施方式
[0027]下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0028]实施例1
[0029]S1、筛选325
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800目的雾化纯铜粉作为粗铜粉原料，使用网带炉，以空气为气氛，在400℃保温2h，进行表面预氧化。取800目的雾化纯铜粉作为细铜粉原料，将细铜粉与预氧化后的粗铜粉按照质量比1:2进行混合，得到第一粉末混合物。取500目的CuZr8合金粉末，将CuZr8合金粉末与第一粉末混合物按照质量比1:19混合均匀，制备得到原料粉末。该原料粉末中，Zr元素的质量分数为0.4％。
[0030]S2、将原料粉末与注射成形粘结剂(石蜡50wt.％，聚丙烯25wt.％，聚乙烯23wt.％，硬脂酸2wt.％)按照体积比3:2进行混炼，制备得到喂料。使用注射成形机和配套模具，将喂料注射成形为散热器生坯。对散热器生坯进行催化脱脂，制备得到坯体。
[0031]S3、将坯体放入真空烧结炉内进行烧结。首先通入1L/min的氢气气氛，以3℃/min的速率升温到700℃。700℃后采用真空烧结，真空度≤50Pa，继续以3℃/min的速率升温到950℃，然后以1.5℃/min的速率升温到1050℃，保温90min。然后维持1050℃的温度不变，以超过1m3/min的速率向炉内冲入高压氩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高密度粉末注射成形铜散热器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将粗铜粉进行预氧化，然后与细铜粉、铜合金粉末混合均匀，制备得到原料粉末；其中，所述细铜粉的粒度小于所述粗铜粉的粒度；S2、将所述原料粉末与粘结剂混合均匀，然后依次经注射成形、脱脂，制备得到坯体；S3、将所述坯体进行烧结，所述烧结包括依次进行氢气气氛烧结、真空烧结、加压烧结；所述烧结结束后降温，即制备得到铜散热器零部件。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述原料粉末中，所述细铜粉的质量分数为15～45％，所述铜合金粉末中铜以外金属的质量分数为0～2％。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粗铜粉的粒度为325～800目；优选地，所述细铜粉的粒度小于等于600目。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述预氧化在空气气氛条件下进行。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粗铜粉和所述细铜粉为雾化铜粉。6.如权利要求1所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁雪冰，王林山，张爵灵，杨欣宇，田小飞，胡强，
申请(专利权)人：北京有研粉末新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：