一種活性釬焊裝置及使用該裝置制備金剛石-銅復合材料的釬焊方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及釬焊工藝領域，尤其是涉及一種制備金剛石-銅復合材料的活性釬焊裝置，本發明還涉及使用該裝置制備金剛石-銅復合材料的活性釬焊方法。
【背景技術】
[0002]隨著電子封裝的密度不斷提高，散熱成為一個突出問題。電子封裝的散熱材料要求具有高熱導率以及與半導體匹配的熱膨脹系數。單晶金剛石的熱導率可達2000W.πΓ1.K—1，通過將金剛石和金屬材料進行復合，可以獲得具有較好加工性能的復合材料，且可通過調整復合材料中金剛石和金屬的比例，獲得期望的熱導率和熱膨脹系數。目前采用高溫高壓燒結法制得的金剛石-銅復合材料中金剛石含量高、導熱性能不理想；放電等離子燒結法制備金剛石體積比較大的復合材料的技術又不太成熟，尚未用于大規模工業生產；雖然采用液態金屬浸滲法制得金剛石-銅復合材料的效果較好，但為使金剛石與銅形成良好的冶金結合，需要專用的合成裝備、金剛石原料、基體材料，以及適當的合成工藝參數，方法較為復雜且成本很高。
【發明內容】
[0003]本發明目的在于提供一種結構簡單、操作方便的活性釬焊裝置，本發明還提供使用該裝置制備界面結合好、熱導性能高的金剛石-銅復合材料的釬焊方法。
[0004]為實現上述目的，本發明可采取下述技術方案:
本發明所述的活性釬焊裝置，包括水冷爐體；所述水冷爐體的爐壁為帶有進、出水口的中空結構，在所述水冷爐體頂壁上設置有具有升降功能的懸掛裝置，石英坩堝通過所述懸掛裝置懸吊在所述水冷爐體內腔中；在所述水冷爐體內設置有電加熱裝置；置于所述水冷爐體外的抽真空裝置和充氣加壓裝置分別通過真空管和加壓管與水冷爐體內腔相連通，在所述加壓管上設置有閥門。
[0005]所述充氣加壓裝置包括惰性氣體瓶和設置在所述惰性氣體瓶內的測壓裝置。
[0006]所述電加熱裝置為均衡環繞在靠近所述水冷爐體內壁處的帶有溫度控制器的感應線圈。
[0007]使用本發明的活性釬焊裝置制備金剛石-銅復合材料的釬焊方法包括下述步驟: 第一步，將增強相為粒度50~300 μ m的金剛石顆粒清洗、烘干后裝入石英坩堝中并壓實；然后在金剛石顆粒上部的石英坩堝內裝入活性銅合金；
第二步，將石英坩堝放入水冷爐體中，使用懸掛裝置將石英坩堝懸吊起來；通過水冷爐體外的抽真空裝置將水冷爐體的爐腔抽成真空；
第三步，將水冷爐體的爐壁中通入冷卻水，啟動電加熱裝置，使爐腔內溫度快速上升到活性銅合金熔點后保溫5分鐘；啟動充氣加壓裝置將水冷爐體內腔中通入惰性氣體，加壓至5~10 MPa，使液態銅合金滲入金剛石顆粒，同時減小電加熱裝置的感應電流，使溫度降至1100~1150°C 后保溫 5-25 分鐘；
第四步，關閉電加熱裝置，加大水冷爐體爐壁內的冷卻水循環，將石英坩堝放到水冷爐體底部，石英坩堝內的物料定向凝固后即可得到熱導率480-500 W^nT1.1T1的金剛石-銅復合材料。
[0008]本發明所用的活性銅合金(母材)的質量百分含量為:硼0.3-0.4%、含鋯0.5-0.6%，余量為銅。
[0009]所述惰性氣體為氬氣。
[0010]本發明優點在于活性釬焊裝置結構簡單、操作方便、生產成本低。制備方法容易掌握，得到的金剛石-銅復合材料的界面結合好，熱導率達到480~500 W.πΓ1.K'
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明活性釬焊裝置的結構示意圖。
[0012]圖2-圖5是實施例的制備方法示意圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1所示，本發明所述的活性釬焊裝置，包括水冷爐體I ;該水冷爐體I的爐壁為帶有進、出水口 2、3的中空結構，在水冷爐體I頂壁上設置有具有升降功能的懸掛裝置4(該懸掛裝置可通過外部的步進電機驅動升降)，石英坩堝5通過懸掛裝置4懸吊在水冷爐體I內腔中；在水冷爐體I內設置有電加熱裝置:該電加熱裝置為均衡環繞在靠近水冷爐體I內壁處的帶有溫度控制器12的感應線圈13 ;置于水冷爐體外的抽真空裝置6和充氣加壓裝置分別通過真空管7和加壓管8與水冷爐體I內腔相連通，在加壓管8上設置有閥門9，其中所用的充氣加壓裝置包括充裝有惰性氣體(氬氣)的惰性氣體瓶10和設置在惰性氣體瓶10內的測壓裝置11。
[0014]使用上述的活性釬焊裝置制備金剛石-銅復合材料的釬焊方法的具體步驟為: 第一步，將增強相為粒度50~300 μ m的金剛石顆粒清洗、烘干后裝入石英坩堝5中，用機械方法將其壓至致密度80% ;然后在金剛石顆粒上部裝入含硼0.3-0.4% (質量比)、含鋯0.5-0.6% (質量比)的活性銅合金；
第二步，將石英坩堝5放入水冷爐體I中，使用懸掛裝置4將石英坩堝5懸吊起來，使底部與爐體底面保持一定距離；通過水冷爐體I外的抽真空裝置6將水冷爐體I的爐腔抽成真空；
第三步，將水冷爐體I的爐壁中通入冷卻水，啟動電加熱裝置，使爐腔內溫度快速上升到活性銅合金熔點1200°C后保溫5分鐘；啟動充氣加壓裝置將水冷爐體I內腔中通入氬氣，加壓至5~10 MPa，使液態銅合金滲入金剛石顆粒中，同時減小電加熱裝置的感應電流，使溫度降至1100~1150°C后保溫5~25分鐘；
第四步，關閉電加熱裝置，加大水冷爐體I爐壁內的冷卻水循環，將石英坩堝5放到水冷爐體I底部，石英坩堝5內的物料定向凝固后即可得到熱導率480-500 W.πΓ1.IT1的金剛石-銅復合材料。
[0015]下面通過兩個具體實施例對本發明做更加詳細的說明。
[0016]實施例1: 將增強相為粒度200 μ m的金剛石顆粒14清洗、烘干后裝入石英坩堝5，并壓至致密度80% ;然后在金剛石顆粒上面裝入含硼0.3% (質量比)、含鋯0.6% (質量比)的活性銅合金15，如圖2所示；
將石英坩堝5放入水冷爐體I內，使用懸掛裝置4將石英坩堝5懸吊起來，使底部與爐體底面保持一定距離，使用抽真空裝置8將水冷爐體I的爐腔抽成真空；
將水冷爐體I內通入冷卻水，感應線圈13感應加熱，使爐內溫度快速升至活性銅合金熔點后保溫5分鐘，如圖3所示，這時活性銅合金15開始熔化成液體；水冷爐體I內腔通入氬氣，加壓至20MPa，促使液態銅合金滲入金剛石顆粒，如圖4所示，這時在金剛石顆粒和液態銅合金的結合面處出現復合層16，同時減小感應線圈13的電流，使溫度保持在1100°C ；然后保溫15分鐘；
關掉感應線圈13，加大水冷爐體I爐壁內的冷卻水循環，將石英坩堝5降落放到水冷爐體I的底部，石英坩堝5內的物料定向凝固后即可得到熱導率490 W f1的金剛石-銅復合材料17,如圖5所示。
[0017] 實施例2:
將增強相為粒度250 μ m的金剛石顆粒清洗、烘干后裝入石英坩堝5，并壓至致密度85% ;然后在金剛石顆粒上面裝入含硼0.4% (質量比)、含鋯0.5% (質量比)的活性銅合金，如圖2所示；
將石英坩堝5放入水冷爐體I內，使用懸掛裝置4將石英坩堝5懸吊起來，使底部與爐體底面保持一定距離，使用抽真空裝置8將水冷爐體I的爐腔抽成真空；
將水冷爐體I內通入冷卻水，感應線圈13感應加熱，使爐內溫度快速升至活性銅合金熔點后保溫5分鐘，如圖3所示，這時活性銅合金15開始熔化成液體；水冷爐體I內腔通入氬氣，加壓至15MPa，促使液態銅合金滲入金剛石顆粒，如圖4所示，這時在金剛石顆粒和液態銅合金的結合面處出現復合層16，同時減小感應線圈13的電流，使溫度保持在1150°C ；然后保溫20分鐘；
關掉感應線圈13，加大水冷爐體I爐壁內的冷卻水循環，將石英坩堝5降落放到水冷爐體I的底部，石英坩堝5內的物料定向凝固后即可得到熱導率500 W f1的金剛石-銅復合材料，如圖5所示。
【主權項】
1.一種活性釬焊裝置，包括水冷爐體(I);其特征在于:所述水冷爐體(I)的爐壁為帶有進、出水口(2、3)的中空結構，在所述水冷爐體(I)頂壁上設置有具有升降功能的懸掛裝置(4)，石英坩堝(5)通過所述懸掛裝置(4)懸吊在所述水冷爐體(I)內腔中；在所述水冷爐體(I)內設置有電加熱裝置；置于所述水冷爐體外的抽真空裝置(6)和充氣加壓裝置分別通過真空管(7 )和加壓管(8 )與水冷爐體(I)內腔相連通，在所述加壓管(8 )上設置有閥門(9)。
2.根據權利要求1所述的活性釬焊裝置，其特征在于:所述充氣加壓裝置包括惰性氣體瓶(10)和設置在所述惰性氣體瓶(10)內的測壓裝置(11)。
3.根據權利要求1所述的活性釬焊裝置，其特征在于:所述電加熱裝置為均衡環繞在靠近所述水冷爐體(I)內壁處的帶有溫度控制器(12)的感應線圈(13)。
4.使用權利要求1所述的裝置制備金剛石-銅復合材料的釬焊方法，其特征在于:它包括下述步驟: 第一步，將增強相為粒度50~300 μ m的金剛石顆粒清洗、烘干后裝入石英坩堝(5)中并壓實；然后在金剛石顆粒上部的石英坩堝(5)內裝入活性銅合金； 第二步，將石英坩堝(5)放入水冷爐體(I)中，使用懸掛裝置(4)將石英坩堝(5)懸吊起來；通過水冷爐體(I)外的抽真空裝置(6)將水冷爐體(I)的爐腔抽成真空； 第三步，將水冷爐體(I)的爐壁中通入冷卻水，啟動電加熱裝置，使爐腔內溫度快速上升到活性銅合金熔點后保溫5分鐘；啟動充氣加壓裝置將水冷爐體(I)內腔中通入惰性氣體，加壓至5~10 MPa，使液態銅合金滲入金剛石顆粒，同時減小電加熱裝置的感應電流，使溫度降至1100~1150°C后保溫5~25分鐘； 第四步，關閉電加熱裝置，加大水冷爐體(I)爐壁內的冷卻水循環，將石英坩堝(5)放到水冷爐體(I)底部，石英坩堝(5)內的物料定向凝固后即可得到熱導率480-500W.πΓ1.IT1的金剛石-銅復合材料。
5.根據權利要求4所述的制備金剛石-銅復合材料的釬焊方法，其特征在于:所述活性銅合金的質量百分含量為:硼0.3-0.4%、含鋯0.5-0.6%，余量為銅。
6.根據權利要求4所述的制備金剛石-銅復合材料的活性釬焊方法，其特征在于:所述惰性氣體為氬氣。
【專利摘要】本發明公開了一種活性釬焊裝置，包括水冷爐體；所述水冷爐體的爐壁為帶有進、出水口的中空結構，在所述水冷爐體頂壁上設置有具有升降功能的懸掛裝置，石英坩堝通過所述懸掛裝置懸吊在所述水冷爐體內腔中；在所述水冷爐體內設置有電加熱裝置；置于所述水冷爐體外的抽真空裝置和充氣加壓裝置分別通過真空管和加壓管與水冷爐體內腔相連通，在所述加壓管上設置有閥門。本發明還公開了使用該裝置制備界面結合好、熱導性能高的金剛石-銅復合材料的釬焊方法。本發明優點在于活性釬焊裝置結構簡單、操作方便、生產成本低；制備方法容易掌握，得到的金剛石-銅復合材料的界面結合好，熱導率達到480~500W·m-1·K-1。
【IPC分類】B23K3-08, B23K3-00, B23K1-008, B23K1-20
【公開號】CN104690389
【申請號】CN201510061329
【發明人】張青科, 龍偉民, 馬力, 鐘素娟, 朱坤, 裴夤崟, 薛行雁, 孫華為, 丁天然, 劉潔, 張冠星
【申請人】鄭州機械研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月6日