铜锆合金散热元件及铜锆合金壳体的制造方法

摘要

本发明公开一种铜锆合金散热元件及铜锆合金壳体的制造方法，其中该铜锆合金散热元件包括一铜锆合金壳体以及设于铜锆合金壳体内壁的一毛细结构层，所述铜锆合金壳体包括含有15‑20原子百分比的锆的纳米铜锆析出物。该铜锆合金散热元件的制造方法包括：混合铜粉与锆粉，经球磨后进行真空热压再施以滚压处理，而制得铜锆合金壳体。所述铜锆合金散热元件的壳体具有高抗拉强度、高延展性及导热性，当散热元件小型化时仍不造成元件破损、变形或扭曲，同时没有丧失散热的功效。

权利要求

1.一种铜锆合金散热元件，其特征在于，包括：铜锆合金壳体，该铜锆合金壳体中锆的添加量大于0.5wt％且小于5.0wt％；以及毛细结构层，设于该铜锆合金壳体的内壁，其中，该铜锆合金壳体含有纳米铜锆析出物，其析出物含有15-20原子百分比的锆。

2.如权利要求1所述的铜锆合金散热元件，其中，该铜锆合金散热元件的厚度≤0.4mm。

3.如权利要求1或2所述的铜锆合金散热元件，其中该铜锆合金壳体的厚度≤0.1mm。

4.一种铜锆合金壳体的制造方法，包括：混合铜粉与锆粉并球磨至少20小时，以形成合金化粉末，其中以该铜粉与该锆粉的总重量计，该锆粉的添加量大于0.5wt％且小于5.0wt％；

对该合金化粉末进行真空热压成形，以形成一块材；

对该块材进行热处理和时效处理；及

对该块材进行滚压处理得到一铜锆合金壳体，该铜锆合金壳体含有纳米铜锆析出物，其析出物含有15-20原子百分比的锆。

5.如权利要求4所述的制造方法，其中该锆粉的粒径小于该铜粉的粒径。

6.如权利要求4所述的制造方法，其中该球磨是在氩气气氛中进行。

7.如权利要求6所述的制造方法，其中，该球磨的时间至少30小时。

8.如权利要求4所述的制造方法，其中该滚压处理后该块材的厚度≤0.1mm。

说明书

铜锆合金散热元件及铜锆合金壳体的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铜锆合金散热元件及铜锆合金壳体的制造方法。

背景技术

[0002] 因应全球通讯技术的快速发展，由于运算芯片能力的大幅提升，许多功能性的电子产品如随身听、电子辞典等已被移动装置如智能型手机或平板计算机所取代。为配合消费者对于轻薄短小的产品需求，移动装置产品的散热技术，一直是产业界面临的难题。例如在5G高速传输的微型基地台及高速手持装置的内部热量极需超薄散热元件，当散热元件的厚度变小时会因压力差的变化在结构脆弱处易造成破裂或变型。

[0003] 现有以纯铜为材料的散热元件例如薄型或超薄热管，因为强度不足，在弯折处极易破裂或变型，阻碍蒸气通道；若热管运作时受大气压力压扁，或因内部压力过大而会导致爆管。

[0004] 因此，开发一超薄且具有高热传导能力同时具有高机械强度的散热元件，是现阶段相关技术领域的重要课题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种铜锆合金散热元件，特别是薄型散热元件，具有高强度的机械特性同时维持其高导热性质。

[0006] 本发明另一目的在于提供一种铜锆合金壳体的制造方法，能制作出具有高强度的机械特性同时具有高导热性质的铜锆合金壳体。

[0007] 本发明提出一种铜锆合金散热元件，包括一铜锆合金壳体、一设于铜锆合金壳体内壁的毛细结构层，其中，该铜锆合金壳体包括含有15-20原子百分比(at％)的锆的纳米铜锆析出物。

[0008] 在本发明的一实施例中，上述铜锆合金壳体中锆的添加量大于0.5wt％且小于5.0wt％。

[0009] 本发明另一实施例提出一种铜锆合金壳体的制造方法，包括混合铜粉与锆粉并球磨至少20小时，以形成合金化粉末；对合金化的粉末进行真空热压，以形成一块材，接着对该块材进行热处理及时效处理，再对该块材进行滚压处理。

[0010] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

[0011] 图1是本发明的一实施例的一种铜锆合金散热元件的剖面示意图；

[0012] 图2是本发明的另一实施例的一种铜锆合金壳体的制造流程步骤图。

[0013] 符号说明

[0014] 100：铜锆合金散热元件

[0015] 102：铜锆合金壳体

[0016] 102a：内壁

[0017] 104：毛细结构层

[0018] S200、S202、S204、S206：步骤

[0019] T1：铜锆合金散热元件的厚度

[0020] T2：铜锆合金壳体的厚度

具体实施方式

[0021] 图1是依照本发明的一实施例的一种铜锆合金散热元件的剖面示意图。在图1中，本实施例提出一种铜锆合金散热元件100，包括：一铜锆合金壳体102以及一毛细结构层104，其设于铜锆合金壳体102的内壁102a，其中铜锆合金壳体102含有纳米铜锆析出物，且该铜锆析出物含有15at％-20at％的锆；换句话说，该铜锆析出物含有80at％-85at％的铜。
在一实施例中，铜锆合金壳体102中锆的添加量例如大于0.5wt％且小于5.0wt％，且所谓的「添加量」是指制作铜锆合金壳体102时的添加物的重量百分比。

[0022] 在本发明一实施例中，铜锆合金散热元件100的厚度T1≤0.4mm。而且，铜锆合金散热元件100若是如图1所示为管状结构，则厚度T1是指其截面的短轴长度。

[0023] 在本发明一实施例中，铜锆合金壳体102的厚度T2≤0.1mm。

[0024] 图2是依照本发明的另一实施例的一种铜锆合金壳体的制造流程步骤图，且可制作出上一实施例的铜锆合金壳体102。

[0025] 请参照图2，本实施例的方法，包括先进行步骤S200，混合铜粉与锆粉并球磨至少20小时，其中该锆粉的粒径例如小于铜粉的粒径，该锆粉的添加量例如大于0.5wt％且小于
5.0wt％，并可于氩气气氛中进经球磨使锆热扩散至铜中，并固溶形成合金化粉末。

[0026] 然后，进行步骤S202，对上述合金化粉末进行真空热压成形，以形成一块材。在本实施例中，真空热压成形的制作工艺参数例如：以温度930℃-960℃，压力30MPa进行真空热压烧结2-4小时，而使合金化粉末成形为块材。

[0027] 而后，再进行步骤S204，对该块材进行热处理和时效处理，其中热处理的温度例如930℃-960℃，时间例如1-2小时，接着可先进行水冷，再以例如450℃-550℃的温度进行时效处理。之后，可选择持温2-4小时后空冷。

[0028] 然后，进行步骤S206，对该块材进行滚压处理。滚压处理后可得到一薄片材，此薄片材可作为形成热管或其他的散热元件用的壳体结构。

[0029] 如果要制作如图1所示的铜锆合金散热元件，可在步骤S206之后，取上述滚压处理后的薄片材，先制成例如一管状或其他形状的壳体，再以此壳体为基材制作毛细结构层。该毛细结构层的制作方式包含但不限于下列几种：1.粉体随机烧结在壳体内壁；2.铜网或铜线烧结在壳体内壁；3.壳体结构的内侧加工沟槽；或4.壳体结构的内侧进行蚀刻。

[0030] 为了让本揭露的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例及比较实施例，作详细说明如下：

[0031] <实施例>

[0032] <金属粉末球磨>

[0033] 实施例1

[0034] 将97克粒径大小为100mesh、纯度为99.5％的铜粉与3克粒径大小为325mesh、纯度为99.9％的锆粉在手套箱中放入球磨罐中，在氩气气氛中以转速350rpm、20分钟正反转的方式进行球磨10小时，其结果得到Cu-3wt％Zr样品1，以能量散射X射线光谱(EDS，场效发射式扫瞄电子显微镜JEOL，FE-SEM)进行成分分析如表1。经电子显微镜观察粒径变化的情形，并做X光绕射(XRD)分析，锆(Zr)已开始扩散固溶至铜(Cu)表面，但仍有锆未与铜反应。

[0035] 实施例2

[0036] 与实施例1相同，不同的是球磨的时间为20小时，其结果得到Cu-3wt％Zr样品2，以EDS进行成分分析如表1。经电子显微镜观察粒径变化的情形，并做X光绕射(XRD)分析，可知尚有微量锆(Zr)未与铜(Cu)固溶。

[0037] 实施例3

[0038] 与实施例1相同，不同的是球磨的时间为30小时，其结果得到Cu-3wt％Zr样品3，以EDS进行成分分析如表1。经电子显微镜观察粒径变化的情形，并做X光绕射(XRD)分析可观察出锆(Zr)与铜(Cu)已经固溶，另外已并无锆残留。

[0039] 表1

[0040] Cu-3wt.％Zr 球磨时间(hours) Cu wt.％ Zr wt.％样品1 10 99.7 0.3
样品2 20 99.5 0.5
样品3 30 99.3 0.7

[0041] 如表1所示，铜粉与锆粉经球磨后，随着球磨的时间增加，锆扩散至铜表面的含量也随之增加，也就是说，锆含量扩散至铜中的趋势，随着球磨时间的增加而增加。

[0042] 此外，依据SEM的结果分析球磨时间与晶粒的关系可知，球磨时间愈长，粒径变小，且均匀度增加，例如在球磨后的10小时粒径尺寸有大有小不均匀，随着球磨时间愈长粒径随的慢慢变小，且其粒径趋于均匀，至少球磨30小时，粒径在500-600微米。

[0043] 实施例4

[0044] 将99.85克粒径大小为100mesh、纯度为99.5％的铜粉与0.15克粒径大小为325mesh、纯度为99.9％的锆粉在手套箱中放入球磨罐中，在氩气气氛中以转速350rpm、20分钟正反转的方式进行球磨30小时，其结果得到Cu-0.15wt％Zr样品4，经电子显微镜观察并做X光绕射(XRD)分析，并无锆存在，表示锆已固溶于铜中。

[0045] 实施例5

[0046] 将99.5克粒径大小为100mesh、纯度为99.5％的铜粉与0.5克粒径大小为325mesh、纯度为99.9％的锆粉在手套箱中放入球磨罐中，在氩气气氛中以转速350rpm、20分钟正反转的方式进行球磨30小时，其结果得到Cu-0.5wt％Zr样品5，经电子显微镜观察并做X光绕射(XRD)分析，并无锆存在，表示锆已固溶于铜中。

[0047] 实施例6

[0048] 将95克粒径大小为100mesh、纯度为99.5％的铜粉与5克粒径大小为325mesh、纯度为99.9％的锆粉在手套箱中放入球磨罐中，在氩气气氛中以转速350rpm、20分钟正反转的方式进行球磨30小时，其结果得到Cu-5wt％Zr样品6,经X光绕射(XRD)分析，得知仍有锆残留，代表锆固溶于铜中有含量的限制，并不会随着锆添加量增加而无限制的增加其固溶含量。

[0049] 实施例7

[0050] 将99.2克粒径大小为100mesh、纯度为99.5％的铜粉与0.8克粒径大小为325mesh、纯度为99.9％的锆粉在手套箱中放入球磨罐中，在氩气气氛中以转速350rpm、20分钟正反转的方式进行球磨30小时，其结果得到Cu-0.8wt％Zr样品7。经以X光绕射(XRD)分析可观察出锆(Zr)与铜(Cu)已经固溶。

[0051] 实施例8

[0052] 将98.3克粒径大小为100mesh、纯度为99.5％的铜粉与1.7克粒径大小为325mesh、纯度为99.9％的锆粉在手套箱中放入球磨罐中，在氩气气氛中以转速350rpm、20分钟正反转的方式进行球磨30小时，其结果得到Cu-1.7wt％Zr样品8。经以X光绕射(XRD)分析可观察出锆(Zr)与铜(Cu)已经固溶。。

[0053] <真空粉末热压及铜锆析出物分析>

[0054] 实施例9

[0055] 以钨钢模具对样品1以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品9。将样品9的纳米析出物进行EDS成分分析，得到Cu  80.98at％，Zr 19.02at％。

[0056] 实施例10

[0057] 以钨钢模具对样品2以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品10。将样品10的纳米析出物进行EDS成分分析，得到Cu 83.37at％，Zr 16.63at％。

[0058] 实施例11

[0059] 以钨钢模具对样品3以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品11。将样品11的纳米析出物进行EDS成分分析，得到Cu 82.73at％，Zr 17.27at％。

[0060] 实施例12

[0061] 以钨钢模具对样品4以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品12。通过SEM微结构分析，锆已固溶在铜中，但并没有析出纳米析出物。

[0062] 实施例13

[0063] 以钨钢模具对样品5以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品13。将样品13的纳米析出物进行EDS成分分析，得到Cu 84.02at％，Zr 15.98at％

[0064] 实施例14

[0065] 以钨钢模具对样品6以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品14。由电子显微镜和EDS分析结果得知，不容易均匀分布析出纳米粒子，且锆集中在特定的局部区域，成分的均匀度不佳。

[0066] 实施例15

[0067] 以钨钢模具对样品7以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品15，并且可见铜锆纳米析出物。

[0068] 实施例16

[0069] 以钨钢模具对样品8以950℃，30MPa的压力进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到样品16，并且可见铜锆纳米析出物。

[0070] 比较例1

[0071] 将97克粒径大小为100mesh、纯度为99.5％的铜粉与3克粒径大小为325mesh、纯度为99.9％的锆粉混合后，以钨钢模具在950℃，30MPa的压力下进行真空热压4小时及热处理和时效处理，得到比较样品1。将比较样品1的纳米析出物进行EDS成分分析，得到Cu 80.76at％，Zr 19.24at％。对此未经球磨的比较样品1试片进行EDS成分分析，可知有严重的成分分布不均匀的问题，且纳米析出物集中于局部地区。

[0072] <成分均匀度实验>

[0073] 成分均匀度实验是于直径约3厘米的热压后，热处理及时效处理后的样品上取四边及中央各一点进行EDS成分分析，经由在不同位置铜、锆含量的分布以确认金属含量在整体样品的均匀度。

[0074] 实施例17

[0075] 取样品9进行EDS成分分析做均匀度实验，结果请见表2，铜锆成分在样品中的均匀度不佳。

[0076] 表2

[0077]取样位置编号 Cu wt.％ Zr wt.％
1 96.37 3.63
2 93.40 6.60
3 89.67 10.34
4 94.43 5.57
5 92.87 7.13

[0078] 实施例18

[0079] 取样品10进行EDS成分分析做均匀度实验，结果请见表3，铜锆成分在样品中的成分分布均匀。

[0080] 表3

[0081]取样位置编号 Cu wt.％ Zr wt.％
1 97.44 2.56
2 97.50 2.50
3 96.76 3.24
4 96.87 3.13
5 97.20 2.80

[0082] 实施例19

[0083] 取样品11进行EDS成分分析做均匀度实验，结果请见表4，铜锆成分在样品中的成分分布均匀。

[0084] 表4

[0085]取样位置编号 Cu wt.％ Zr wt.％
1 97.40 2.60
2 97.82 2.18
3 96.48 3.52
4 96.80 3.20
5 97.45 2.54

[0086] 比较例2

[0087] 取比较样品1进行EDS成分分析做均匀度实验，结果请见表5，铜锆成分在样品中的成分分布不均匀。

[0088] 表5

[0089]取样位置编号 Cu wt.％ Zr wt.％
1 99.43 0.57
2 93.80 6.20
3 97.12 2.87
4 95.82 4.17
5 95.65 4.34

[0090] 请参考表2～表5，依据本发明以上的实施例结果，未经过球磨热压后热处理及时效处理后的样品，其均匀度远低于经过球磨后的样品。而当球磨时间小于20小时，经热压后热处理及时效处理后也会存在有成分不均匀的问题。

[0091] <物性及机械性质测量>

[0092] 抗拉强度是由5顿静态材料试验机(英士特Instron公司制造)所测。

[0093] 实施例20

[0094] 取样品9-11及比较样品1进行电导率、硬度以及抗拉强度的测试，结果如表6。经球磨20小时以后并经热压热处理及时效处理的样品可得到高的抗拉强度及硬度。

[0095] 表6

[0096]

[0097] 实施例21

[0098] 取样品11-13与样品15-16进行热传导系数、硬度及抗拉强度的量测，结果如表7。随着锆含量的添加，因纳米析出物的析出量增加，合金材料的抗拉强度及硬度也随之提高，此并未降低热传导的功能，其热传导系数仍在产业应用范围之内。

[0099] 表7

[0100]

[0101] <滚压实验>

[0102] 实施例22

[0103] 取样品11进行滚压得到片材的厚度为0.09mm。

[0104] 实施例23

[0105] 取样品15进行滚压得到片材的厚度为0.05mm。

[0106] 由滚压实验及表7的结果可以了解，本发明的铜锆合金散热元件可以在厚度极小的情况下不但能有好的散热效果，其抗拉强度也有显著的提高。

[0107] 综上所述，依据本发明所提出的铜锆合金散热元件的制造方法所得到的铜锆合金，其硬度高，同时具有高导热性、高抗拉强度与高延展性，利于加工作为散热元件，当散热元件小型化时仍不造成元件破损、变形或扭曲同时依然仍具良好的散热功效。

[0108] 虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。