一种银掺杂钨铜复合材料及其制备方法

1.本发明涉及钨铜复合材料技术领域，尤其涉及一种银掺杂钨铜复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.在现代工业高速发展的今天，电子封装材料实现了对芯片、cpu、大规模电路的保护，封装材料可以保护元器件免受物理伤害以及有害气体的腐蚀，同时高的热导率保证电子元件的散热。由于电子封装材料起到散热和保护基体的作用，因此提高电子封装材料的热导率很关键。
3.钨(w)具有高熔点、高密度、高强度和低热膨胀系数等特性，铜(cu)具有良好的导电导热性。w-cu复合材料可以综合w和cu的特性，具有较高的热导率、可调的热膨胀系数等优点，是目前应用电子封装领域较为理想的散热材料。但是w-cu复合材料的热导率依然不高，进一步提高复合材料的热导率成为亟待解决的问题之一。在w-cu复合材料中掺杂元素可以改善w和cu之间的润湿性，从而提高w-cu复合材料的热导率。
4.李继文等在专利cn105238983a《一种稀土氧化物掺杂钨铜复合材料及其制备方法》中，通过向w-cu复合材料中掺杂稀土氧化物，提高了w-cu复合材料的致密度，使最终w-cu复合材料的导电导热性有所提高。
5.卫陈龙等在专利cn109175354a《一种金刚石/w-cu复合材料的制备方法》中，通过掺杂镀钨金刚石制备w-cu复合材料，使最终的金刚石/w-cu复合材料的热导率最高达到275w
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。
6.但现有掺杂w-cu复合材料的热导率仍无法满足实际需求，而且现有掺杂材料与w-cu复合材料的关系仍不清楚，本领域技术人员尚无法推测采用何种材料可提升w-cu复合材料的热导率。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种银掺杂钨铜复合材料及其制备方法。
8.一种银掺杂钨-铜复合材料，采用银对钨-铜合金进行掺杂，其热导率为197-226w/(m
·
k)。
9.上述银掺杂钨-铜复合材料的制备方法，采用预处理钨粉、铜粉、银粉为原料，预处理钨粉为硬脂酸加入钨粉中加热处理得到；
10.具体包括如下步骤：将部分原料进行压制、脱脂、烧结得到骨架，将剩余原料均匀层铺于骨架上进行熔渗得到银掺杂钨-铜复合材料。
11.优选地，预处理钨粉采用如下步骤制取：将钨粉水浴加热，然后加入硬脂酸乙醇溶液，继续加热至乙醇挥发完毕，再热风干燥得到预处理钨粉。
12.优选地，钨粉为粒度为5μm，钨粉与硬脂酸的质量比为100：2-3，硬脂酸与乙醇的质
量体积比g/ml为1：21。
13.优选地，水浴加热温度为58-62℃，热风干燥温度为58-62℃，热风干燥时间为7-9h。
14.具体地，若所述部分原料为预处理钨粉和银粉，则预处理钨粉和银粉的质量比为7-9：1-3，且剩余原料为铜粉；
15.若所述部分原料为预处理钨粉、银粉和铜粉，则剩余原料为铜粉，且银粉和铜粉总用量之和与钨粉总用量之比为10-20：80-90，所述部分原料中铜粉的用量占铜粉总用量的10-15％；
16.若所述部分原料为预处理钨粉，则剩余原料为银粉和铜粉，银粉和铜粉的质量比为1-2：1-2。
17.优选地，压制压强为200
±
5mpa，压制时间为30
±
5s；脱脂温度为400
±
5℃，脱脂时间为60
±
5min。
18.优选地，烧结的具体操作如下：将脱脂后物料置于管式炉中，炉腔在室温下抽真空通入氢气气氛，氢气流速为0.3-0.5l/min，然后以10
±
0.5℃/min升温至1000℃，再以5
±
0.5℃/min升温至1300℃并保温120
±
5min，再以5
±
0.5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温。
19.优选地，熔渗的具体操作如下：将剩余原料均匀层铺于骨架上，置于管式炉中，炉腔在室温下抽真空通入氢气气氛，氢气流速为0.3-0.5l/min，然后以10
±
0.5℃/min升温至1000℃，再以5
±
0.5℃/min升温至1250℃并保温120
±
5min，再以5
±
0.5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温。
20.熔渗前测量骨架致密度，根据复合材料理论孔隙率计算公式计算其孔隙率，并以此计算熔渗材料用量。
21.由于钨与铜互不固溶，也不形成中间相化合物，因此w-cu复合材料为一种典型的假合金。所以尽管w-cu复合材料已实现工业化生产和应用，但是w-cu之间的润湿性差制约了其导热性能。
22.正如背景技术中所述，现有掺杂材料与w-cu复合材料的关系仍不清楚，本领域技术人员尚无法明确知晓采用何种材料可提升w-cu复合材料的热导率，而即使是采用相同材料进行掺杂，掺杂量、温度以及掺杂工艺路线都会影响最终复合材料的性能。
23.例如，专利cn109175354a《一种金刚石/w-cu复合材料的制备方法》通过掺杂镀钨金刚石制备w-cu复合材料，但如果金刚石不进行金属化预处理便直接掺杂，反而会降低其热导率；而文献(yuan,zhang jian,luo guoqiang,sun yi,shen qiang,zhang lianmeng.low-temperature densification and microstructure of w-cu composites with sn additives[j].journal of materials research and technology,2021,10:)中记载采用sn(热导率仅为67w
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)对w-cu复合材料进行掺杂，掺杂后复合材料的强度和热性能都有所提升。
[0024]
本发明采用银粉来进行掺杂意在提高其热导率，银本身具有高导热性(热导率高达429w
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)，与铜可形成固溶体有利于熔渗的进行，且银钨的润湿性优于钨铜之间的润湿性，从而起到活性烧结助剂的效果，促进其烧结致密，进而使w-ag-cu复合材料具有更高的导热性能，更好地满足应用在电子封装领域散热的要求。
附图说明
[0025]
图1为本发明所得w-ag-cu表面微观形貌图。
[0026]
图2为本发明所得w-ag-cu表面eds总谱图。
[0027]
图3为本发明所得w-ag-cu中钨元素的eds谱图。
[0028]
图4为本发明所得w-ag-cu中铜元素的eds谱图。
[0029]
图5为本发明所得w-ag-cu中银元素的eds谱图。
[0030]
图6为实施例1中银掺杂量(步骤(2)中银粉和预处理钨粉的质量比)与所得w-ag-cu复合材料的热导率折线图。
[0031]
图7为实施例2中银掺杂量与所得w-ag
x-cu
15-x
复合材料的热导率折线图。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
[0033]
实施例1
[0034]
一种银掺杂钨铜复合材料的制备方法，具体步骤如下：
[0035]
(1)粉末预处理：称取定量的钨粉放置在磁力搅拌式水浴锅内，加热至60℃，保温30分钟；称取硬脂酸溶于100ml乙醇，钨粉与硬脂酸的质量比为100：2.5，玻璃棒搅拌充分溶解；将硬脂酸的乙醇混合液倒入预热的钨粉中，并加入磁力转子，60℃恒温搅拌至乙醇基本挥发，再放置于鼓风干燥烘箱内，60℃烘干8h，得到预处理钨粉；
[0036]
(2)混粉：将银粉和预处理钨粉分别按质量比为1：9、2：8、3：7放在混粉机中以300转/min搅拌6h，混合均匀，得到混合粉末；
[0037]
(3)压制生坯：将步骤2获得的钨银复合粉末，采用液压机钢模压制成骨架生坯，压制压力为200mpa，保压时间为30s；
[0038]
(4)脱脂：将步骤3所获得的骨架生坯置于管式炉中，以400℃保温1h进行脱脂；
[0039]
(5)烧结：将步骤4获得的脱脂骨架生坯置于管式炉中，炉腔在室温下抽真空通入氢气气氛(氢气流速为0.3-0.5l/min)，然后以10℃/min升温至1000℃，再以5℃/min升温至1300℃并保温120min，保温结束后以5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温，得到一定致密度的骨架；
[0040]
(6)熔渗：测得步骤5所获得的骨架致密度，根据复合材料理论孔隙率计算公式计算其渗铜量，将相应质量的铜粉均匀层铺于骨架上；熔渗过程在管式炉氢气气氛下进行(氢气流速为0.3-0.5l/min)，先将温度以10℃/min升至1000℃，再以5℃/min升温至1250℃，在1250℃下保温熔渗120min，熔渗后以5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温，获得致密的w-ag-cu复合材料。
[0041]
将本实施例所得w-ag-cu复合材料进行电镜扫描，如图1所示。由图1可以看出：可以看出整个样品表面致密，未见明显连续较大的孔洞。再将本实施例所得w-ag-cu复合材料进行元素分析，如图2-5所示。由图2-5可以看出：复合材料中银分布均匀。
[0042]
对本实施例所得w-ag-cu复合材料的热导率进行检测，如图6所示。由图6可知：随着银掺杂量的增多(此处掺杂量比例为本实施例步骤(2)中银粉和预处理钨粉的质量比)，w-ag-cu复合材料的导热性能先增大后降低，最高达226w
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。
[0043]
实施例2
[0044]
一种银掺杂钨铜复合材料的制备方法，具体步骤如下：
[0045]
(1)粉末预处理：称取定量的钨粉放置在磁力搅拌式水浴锅内，加热至60℃，保温30分钟；称取硬脂酸溶于100ml乙醇，钨粉与硬脂酸的质量比为100：2.5，玻璃棒搅拌充分溶解；将硬脂酸的乙醇混合液倒入预热的钨粉中，并加入磁力转子，60℃恒温搅拌至乙醇基本挥发，再放置于鼓风干燥烘箱内，60℃烘干8h，得到预处理钨粉；
[0046]
(2)混粉：预处理钨粉、铜粉、银粉按照w-0.5wt％ag-14.5wt％cu、w-1.0wt％ag-14wt％cu、w-1.5wt％ag-13.5wt％cu、w-2.0wt％ag-13.0wt％cu、w-2.5wt％ag-12.5wt％cu进行配比称量；
[0047]
其中铜粉含量先加入2wt％质量分数与预处理钨粉、银粉放在混粉机中以300转/min搅拌6h，混合均匀，得到混合粉料；
[0048]
(3)压制生坯：将步骤2获得的钨银铜复合粉末，采用液压机钢模压制成骨架生坯，压制压力为200mpa，保压时间为30s；
[0049]
(4)脱脂：将步骤3所获得的骨架生坯置于马弗炉中，升温至400℃，保温1h进行脱脂；
[0050]
(5)烧结：将步骤4获得的脱脂骨架生坯置于管式炉中，炉腔在室温下抽真空通入氢气气氛(氢气流速为0.3-0.5l/min)，然后以10℃/min升温至1000℃，再以5℃/min升温至1300℃并保温120min，保温结束后以5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温，得到一定致密度的骨架；
[0051]
(6)熔渗：将剩余铜粉均匀层铺于骨架上，熔渗过程在管式炉氢气气氛下进行(氢气流速为0.3-0.5l/min)，先将温度以10℃/min升至1000℃，再以5℃/min升温至1250℃，在1250℃下保温熔渗120min，熔渗后以5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温，获得致密的w-ag
x-cu
15-x
复合材料。
[0052]
对本实施例所得w-ag
x-cu
15-x
复合材料的热导率进行检测，如图7所示。由图7可知：随着银掺杂量的提高，w-ag
x-cu
15-x
复合材料的导热性能先增大后降低，最高达205w
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，优于目前商用w-15cu(热导率为160-190w
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)。
[0053]
实施例3
[0054]
一种银掺杂钨铜复合材料的制备方法，具体步骤如下：
[0055]
(1)粉末预处理：称取定量的钨粉放置在磁力搅拌式水浴锅内，加热至60℃，保温30分钟；称取硬脂酸溶于100ml乙醇，钨粉与硬脂酸的质量比为100：2.5，玻璃棒搅拌充分溶解；将硬脂酸的乙醇混合液倒入预热的钨粉中，并加入磁力转子，60℃恒温搅拌至乙醇基本挥发，再放置于鼓风干燥烘箱内，60℃烘干8h，得到预处理钨粉；
[0056]
(2)压制生坯：将步骤1获得的预处理钨粉，采用液压机钢模压制成骨架生坯，压制压力为200mpa，保压时间为30s；
[0057]
(3)脱脂：将步骤(2)所获得的骨架生坯置于马弗炉中，以400℃保温1h进行脱脂；
[0058]
(4)烧结：将步骤(3)获得的脱脂骨架生坯置于管式炉中，炉腔在室温下抽真空通入氢气气氛(氢气流速为0.3-0.5l/min)，然后以10℃/min升温至1000℃，再以5℃/min升温至1300℃并保温120min，保温结束后以5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温，得到一定致密度的钨骨架；
[0059]
(5)混粉：测得步骤(4)所获得的钨骨架致密度，根据复合材料理论孔隙率计算公
式计算其孔隙率，称取相应质量铜粉和银粉(质量比分别为1：1、2：1、1：2)放在混粉机中以300转/min搅拌8h，混合均匀；
[0060]
(6)熔渗：将步骤(5)的复合粉末取出，均匀层铺于钨骨架上。熔渗过程在管式炉氢气气氛下进行(氢气流速为0.3-0.5l/min)，先将温度以10℃/min升至1000℃，再以5℃/min升温至1250℃，在1250℃下保温熔渗120min，熔渗后以5℃/min降至500℃，再随炉冷却至室温，获得w-ag-cu复合材料。
[0061]
经测试，本实施例所得w-ag-cu复合材料的热导率最高达197w
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[0062]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。