钨铜合金及其加工方法和应用

摘要

本发明公开了一种钨铜合金及其加工方法和应用。所述钨铜合金包括质量百分含量如下的组分：铜4～50％；钨50～85％；银0.05～15％。本发明实施例提供的钨铜合金由于添加了银元素，银在钨相和铜相中提高了两者的润湿性能，同时弥补了钨、铜颗粒间的缺陷，消除合金之间存在的空隙，提高了合金的致密度，使得合金表现出良好的烧结能力，并且维持钨铜合金的导热性能不低于210℃、导电率不低于30％IACS。因此，十分适合应用于电子封装和热沉材料中。

权利要求

1.一种钨铜合金，其特征在于：所述钨铜合金由质量百分含量如下的组分组成：铜   4～50％；

钨   50～85％；

银   0.5～5.0％；

所述合金为采用CuO、WO3和Ag作为原材料进行炼制而成；所述CuO的纯度大于99.9％；所述WO3的纯度大于99.9％；所述Ag的纯度大于99.9％；

将原料组分进行混合与煅烧处理，获得含银的钨酸铜粉末；

将所述钨酸铜粉末进行球磨处理，获得含银的纳米或亚微米级钨铜复合粉末；

将所述钨酸铜粉末进行还原处理，获得亚微米级钨铜银复合粉末；

将所述钨铜银复合粉末进行压制成型和烧结处理；所述烧结温度为1100～1250℃，烧结气氛为流动的氢气气氛；所述烧结处理后还包括在氢气氛中冷却，所述冷却速率不大于3℃/min。

2.一种如权利要求1所述的钨铜合金的加工方法，至少包括以下步骤：按照权利要求1所述的钨铜合金的配方称取各原料组分；

将称取的所述原料组分进行混合与煅烧处理，获得含银的钨酸铜粉末；

将所述钨酸铜粉末进行球磨处理，获得含银的纳米或亚微米级钨铜复合粉末；

将所述钨酸铜粉末进行还原处理，获得亚微米级钨铜银复合粉末；

将所述钨铜银复合粉末进行压制成型和烧结处理。

3.如权利要求2所述的钨铜合金的加工方法，其特征在于：在所述球磨中，球料按照质量比为1:1～3:1，球磨转速400～900RPM；所述煅烧温度为500～900℃，时间0.5～2小时；所述还原处理的还原剂为氢气；还原温度为600～800℃；所述还原时间为0.5～2.5h。

4.如权利要求2所述的钨铜合金的加工方法，其特征在于：所述压制成型的压力为10～

530MPa。

5.如权利要求1所述的钨铜合金或如权利要求2～4所述的钨铜合金的加工方法制备的钨铜合金在电子封装、热沉中的应用。

说明书

钨铜合金及其加工方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于合金材料技术领域，特别涉及一种钨铜合金及其加工方法和应用。

背景技术

[0002] 钨铜假合金兼具钨和铜的耐高温、高硬度、低膨胀系数、高导热导电性能、良好的塑性等特点，因此被广泛应用于电子封装、热沉等领域中。

[0003] 现有的钨铜合金的制备方法包括：多孔钨为骨架渗入液态铜、热压缩钨-铜复合粉末，还包括液相烧结再压缩、爆炸压缩等各种技术。

[0004] 但是，由于钨-铜体系中不同组分之间互溶性非常小，因此，即使在1083℃以上存在液态铜时，钨-铜假合金也难以实现完全增密化。当前，钨-铜复合粉的制备方法主要有高温热还原法和机械合金化法。

[0005] 高温热还原法是先将钨酸胺盐(或氧化钨)反应生成钨酸铜(CuWO3)和三氧化钨(WO3)的钨-铜复合氧化物粉末，经球磨或雾化细化后，将该合金粉末在300～500℃范围下用氢气还原，制得一种钨相包覆铜相的钨-铜复合粉。由于钨-铜相呈亚微米级分布，粉末的烧结能力大大改善，但仍然难以达到全致密的烧结密度，需要添加其他添加剂如Cr、Co等与铜、钨都具有亲和性的金属，以进一步提高烧结能力。但是，该添加剂在烧结后，由于固溶在铜基体内，大大降低了钨铜合金的导电、导热等物理性能。

[0006] 机械合金化法是将钨和铜按一定比例混合，通过机械球磨制得钨-铜复合粉。但是，由于钨和铜的粒子大小、比重以及硬度等方面的不同，采用机械合金化法很难制得钨和铜均匀分布的钨-铜复合粉，且复合粉中钨和铜的比例难以精确控制。同时，在球磨过程中，由于研磨罐或球的磨损而混入的Fe、Co、Cr等杂质会大大降低钨铜合金的导电、导热等物理性能。

发明内容

[0007] 针对目前钨铜合金存在的合金烧结能力低，并且常规烧结助剂虽然能够提高烧结能力，但合金导热、导电性能降低等问题，本发明实施例提供一种钨铜合金及其加工方法。

[0008] 为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

[0009] 一种钨铜合金，所述钨铜合金包括质量百分含量如下的组分：

[0010] 铜 4～50％；

[0011] 钨 50～85％；

[0012] 银 0.05～15％。

[0013] 以及，所述钨铜合金的加工方法，至少包括以下步骤：

[0014] 按照如上所述的钨铜合金的配方称取各原料组分；

[0015] 将称取的所述原料组分进行混合煅烧处理，获得含银的钨酸铜粉末；

[0016] 将所述钨酸铜粉末进行球磨处理，获得含银的纳米或亚微米级钨铜复合粉末；

[0017] 将所述钨酸铜粉末进行还原处理，获得亚微米级钨铜银复合粉末；

[0018] 将所述钨铜银复合粉末进行压制成型和烧结处理。

[0019] 本发明上述实施例提供的钨铜合金，通过向钨、铜组分中加入银元素，银在钨相和铜相中弥补了钨、铜颗粒间的缺陷，消除合金空隙，提高了合金的致密度，使得合金表现出良好的烧结能力，并且能够维持钨铜合金的导热性能不低于210℃、导电率不低于30％IACS。

[0020] 本发明实施例提供的钨铜合金的加工方法，添加的银组分，在烧结过程中固溶于铜内，可以提高钨铜间的润湿性，提高合金粉末的烧结性能，而在冷却过程中，银从铜相中优先析出，使得银弥补了钨和铜、钨与钨之间的空隙，消除了钨铜合金存在的内部空隙，提高了合金的致密度，从而提高钨铜合金烧结体的物理性能和机械性能；本加工方法工艺简单，设备要求低，加工周期短，适合用于大规模的钨铜合金生产。

[0021] 本发明上述实施例提供的钨铜合金由于银的存在，弥补了钨和、钨与钨之间的空隙，使得致密度得到了进一步的提高，同时，还保持了良好的导热性能和导电性能，适合用于电子封装和热沉材料中。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例W-19.7Cu-0.3Ag的氧化物粉末在800℃煅烧后形貌；

[0023] 图2为本发明实施例W-19.7Cu-0.3Ag的氧化物粉末在800℃煅烧后，球料比3:1(质量)，转速700RPM球磨3h粉末形貌；

[0024] 图3为本发明实施例W-19.7Cu-0.3Ag的氧化物粉末在800℃煅烧后，球料比3:1(质量)，转速700RPM球磨3h候粉末形貌，在流动氢气中800℃还原1h后粉末形貌；

[0025] 图4为本发明实施例添加0.5质量％银的W-19.5Cu-0.5Ag于氢气气氛中1250℃烧结1h后的扫描电镜；

[0026] 图5为本发明实施例添加0.5质量％银的W-19.5Cu-0.5Ag于氢气气氛中1250℃烧结1h后的银元素分布图；

[0027] 图6为本发明实施例添加0.5质量％银的W-19.5Cu-0.5Ag于氢气气氛中1250℃烧结1h后的铜元素分布图。

具体实施方式

[0028] 为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0029] 本发明实施例提供一种钨铜合金。所述钨铜合金包括质量百分含量如下的组分：

[0030] 铜 4～50％；

[0031] 钨 50～85％；

[0032] 银 0.05～15％。

[0033] 在任一实施例中，银纳米分布在钨铜复合粉末中，在烧结过程中固溶于铜内的银可提高钨铜间的润湿性，提高粉末烧结性能。

[0034] 作为优选地，银的质量百分含量为0.5～5.0％。当银含量低于0.05％时，在液相下对铜/钨之间的润湿性改变不明显，大于0.5％时，表现出比较明显的润湿性能；而高于5％时，银含量出现富余，改善效果难以进一步提高，而且合金成本变高。

[0035] 在上述合金的组分中，采用CuO、WO3、Ag作为原材料进行了炼制，所述CuO的纯度大于99.9％；所述Ag的纯度大于99.9％、所述WO3的纯度大于99.9％，采用这样的原材料，后续的球磨时间可以大大缩短，可避免由于球磨过程中混入的其他杂质或者其他杂质的含量过高而影响合金的导热性和导电性能。

[0036] 本发明上述实施例提供的钨铜合金，通过向钨、铜组分中添加了银元素，银在钨相和铜相中弥补了钨、铜颗粒间的缺陷，消除合金空隙，提高了合金的致密度，使得合金表现出良好的烧结能力，并且能够维持钨铜合金的导热性能不低于210℃、导电率不低于30％IACS。

[0037] 本发明在上述实施例提供的钨铜合金配方组分的基础上，进一步提供了该合金的一种加工方法。

[0038] 在一实施例中，所述钨铜合金的加工方法至少包括以下步骤，按照如上所述的钨铜合金的配方称取各组分的原料；

[0039] 将称取的所述组分的原料进行混合与煅烧处理，获得含银的钨酸铜粉末；

[0040] 将所述钨酸铜粉末进行球磨处理，获得含银的纳米或亚微米级钨铜复合粉末；

[0041] 将所述钨酸铜粉末进行还原处理，获得亚微米级钨铜银复合粉末；

[0042] 将所述钨铜银复合粉末进行压制成型和烧结处理。

[0043] 上述加工处理方法中，采用CuO、WO3、Ag作为原材料，所述CuO的纯度大于99.9％；所述Ag的纯度大于99.9％、所述WO3的纯度大于99.9％。采用这样的原材料，以避免由于存在其他杂质或者其他杂质的含量过高而影响炼制的合金的导热性和导电性能。

[0044] 在任何实施例，混合物煅烧温度为500～900℃，所述煅烧时间为0.5～2h。

[0045] 煅烧后自然冷却，待冷却至室温，对获得的含银的钨酸铜粉末进行球磨处理。

[0046] 优选地，球料质量比为1:1～3:1，球磨转速为400～900RPM。在该球料混合配比下，可以在短时间内实现氧化物粉末形成纳米或者亚微米级别的钨铜复合粉末。进一步优选地，球磨处理的设备采用星型球磨机。

[0047] 优选地，所述还原的还原剂为氢气；还原温度为600～800℃；所述还原时间为0.5～2.5h。当然，也可以采用氢气以外的气体，如一氧化碳、硫化氢、甲烷、一氧化硫中的任一种，不过由于出于避免出现还原气体泄漏或者污染事件，一般优先采用氢气。

[0048] 还原处理后在氢气气氛中冷却至室温，然后进行压制成型。压制成型的压力为10～530MPa。当压制成型的压制压力低于10MPa时，合金坯料难以成型，而当高于50MPa时，坯料内应力增加，会导致产品在烧结过程中变形甚至开裂。

[0049] 优选地，所述烧结温度为1100～1250℃，烧结气氛为流动的氢气气氛；在温度低于1100℃时，难以实现烧结致密化，当高于1250℃时，铜会大量挥发，难以保证合金成分稳定。

[0050] 进一步地，烧结处理后还包括在氢气氛中冷却，避免样品氧化。所述冷却速率不大于3℃/min。当冷却速率高于该速率时，Ag很难从Cu基体内充分析出与Cu/W或W/W界面上，难以达到改善合金密度及性能的目的，并需要后续的时效处理，增加了材料生产成本。

[0051] 本发明实施例提供的钨铜合金的加工方法，添加的银组分，将在烧结过程中固溶于铜内，可以提高钨铜间的润湿性，提高合金粉末的烧结性能，而在冷却过程中，银从铜相中优先析出，使得银弥补了钨和铜之间的空隙，消除了钨、铜合金存在的内部空隙，提高了合金的致密度，从而提高钨铜合金烧结体的物理性能和机械性能；本加工方法工艺简单，设备要求低，加工周期短，适合用于大规模的钨铜合金生产。

[0052] 进一步地，本发明实施例获得的钨铜合金，由于银的存在，弥补了钨和铜之间的空隙，使得致密度得到了进一步的提高，同时，还保持了良好的导热性能和导电性能，适合用于电子封装和热沉材料中。

[0053] 为了更好的说明本发明实施例提供的钨铜合金，下面通过多个实施例进一步解释说明。

[0054] 实施例

[0055] 为节约篇幅，将各个实施例和对比例的配方组分列于表1中。

[0056] 表1实施例和对比例配方表

[0057]

[0058]

[0059] 从表1中可见，通过添加适量的Ag可以在同样的烧结温度下获得具有更高烧结密度及性能的W-Cu-Ag合金。

[0060] 从图1可知，煅烧的含银钨酸铜粉末，由于温度高，容易结成大块的固体，为获得方便进一步加工处理的物料，有必要经过球磨降低其粒径。

[0061] 从图2可知，在球料比3:1(质量)，转速700RPM球磨3h后粉末的粒径可以达到亚微米级。由于粉末为化合物，较脆，可在短时球磨达到非常细小的粒径。

[0062] 从图3可知，图2的粉末在流动氢气中800℃还原1h后得到的还原W-Cu-Ag合金粉末，由于还原时间较短，粉末粒径仍然为亚微米级，可以大大促进粉末的烧结性能。

[0063] 从图4可知，图3的W-19.5Cu-0.5Ag于氢气气氛中1250℃烧结1h后，经2度/min的冷却速度后得到的合金组织图，可以看出组织非常致密，而且W相粒度很小，约为3～4微米。

[0064] 图5、6为图4组织的EPMA的Ag和Cu元素面分布图。可以看出Ag从Cu基体中析出并分布于容易行程烧结缺陷的W/W界面和W/Cu界面，极大提高了合金的致密度。

[0065] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。