CN111910112B

CN111910112B - 一种钨铜合金材料及其制备方法、应用

Info

Publication number: CN111910112B
Application number: CN202010626454.5A
Authority: CN
Inventors: 陈明喜
Original assignee: Kunshan Jiarui Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Kunshan Jiarui Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: CN111910112A

Abstract

本发明公开了一种用于5G领域发射400G信号的光通讯模块的钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：钨78.6‑81.2份；铜18.6‑21.10份；银0.02‑0.25份；硅0.15‑0.23份。本发明还提供一种上述的钨铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：将钨、铜、银、硅与蜡基型粘结剂混合，通过密炼制成粒子、近终形注射成型、萃取法脱粘、烧结后即得到所述的钨铜合金材料。本发明还提供一种上述的钨铜合金材料的应用。本发明通过不断调整钨铜合金的成分，使钨铜合金与可伐合金(4J29)实现良好互焊，且热导率和热膨胀系数满足光通讯模块对材料的需求。

Description

一种钨铜合金材料及其制备方法、应用

技术领域

本发明属于合金材料领域，尤其涉及一种钨铜合金材料及其制备方法、应用。

背景技术

近年来通讯行业发展迅速，5G网络时代已经到来，但不管任何5G的光纤通讯都需要5G光通讯模块。在400G信号光通讯模块应用前，如20G、40G、100G光通讯模块采用的是可伐合金或可伐合金辅助以W70Cu实现，到了400G时，W70Cu材料已经无法满足传输需求。

目前在5G领域发射400GQSFP-DDER4-Lite信号光通讯模块所需钨铜合金材料制品是通过传统工艺制作实现，工艺路线如下：1、金属冶炼制作板材；2、板材锯床下料；3、CNC光刀(会产生金属废料)；4、打穿丝孔；5、精密线切割。现有工艺效率低，浪费人力，成本高，不适用大规模批量生产，无法满足市场对5G产品的需求。专利CN109402478A中公开了一种钨铜合金及其注射成型工艺，通过近终形注射成型工艺制备钨铜合金可以较好的解决上述传统工艺中所存在的技术难题。

虽然通过金属粉末注射成型工艺可以解决传统工艺中所存在的技术难题，但现有的用于5G领域发射400G信号光通讯模块的钨铜合金材料依然存在至少以下问题：1、MIM原材料融合的问题；2、无法与可阀合金(4J29)良好互焊；3、钨铜合金的热导率与膨胀系数难以满足5G领域发射400G信号光通讯模块的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种钨铜融合性好、易与可阀合金(4J29)互焊的钨铜合金材料及其制备方法、应用。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于5G领域发射400G信号的光通讯模块的钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

上述钨铜合金材料中，优选的，所述银与硅的总重量为铜重量的1-1.5％。本发明中，银与硅作为调控元素，其二者共同作用调控钨铜合金的性能，其二者缺一不可。我们研究表明，其二者的总量对钨铜合金性能能否满足光通讯模块性能需求具有很大的影响，通过优化表明，其二者的总质量为铜质量的1-1.5％时，钨铜合金的综合性能更佳，钨铜合金与可伐合金的可焊性好。当银硅用量过多，钨铜合金与可伐合金的可焊性会变差。

上述钨铜合金材料中，优选的，所述钨铜合金材料的真实密度大于15.2g/cm³，硬度大于260HV，热导率为140-180W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.6-8.8(10^-6/℃)。本发明中的5G领域可发射400G信号的光通讯模块主要由钨铜合金和可伐合金组成外壳，并在外壳内部安装有电路板、玻璃、盖板和芯片等其它电子原器件，要求在恶劣环境下钨铜合金和可伐合金有相互适应的热膨胀系数。上述热膨胀系数可以满足上述需求，上述热导率可以起到对芯片良好的散热效果，能保护芯片正常工作。

上述钨铜合金材料中，优选的，所述钨铜合金材料与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力大于25KG。本发明，钨铜合金可以使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)与可伐合金(4J29)满足互焊且焊接面的剪切力大于25KG，在此条件下，钨铜合金满足在光通讯模组封装制作的工艺需求。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的钨铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：将钨、铜、银、硅与蜡基型粘结剂混合，通过密炼制成粒子、近终形注射成型、萃取法脱粘、烧结后即得到所述的钨铜合金材料。

上述制备方法中，优选的，所述蜡基型粘结剂包括55-60重量份的聚苯乙烯、23-27重量份的甲基纤维素和20-25重量份的矿物油，将所述聚苯乙烯、甲基纤维素和矿物油加热到90-110℃混合搅拌1-3h得到所述蜡基型粘结剂。

上述制备方法中，优选的，所述钨、铜、银、硅与蜡基型粘结剂混合时，首先将钨粉、铜粉、银和硅通过球磨获得亚微米基粉末颗粒，再将亚微米基粉末颗粒与蜡基型粘结剂按体积比为(10-15)：(85-90)混合均匀。

上述制备方法中，优选的，所述密炼温度为90-110℃，时间为4-6h；所述近终形注射成型时控制料温为80-110℃，模温为50-70℃，注射压力为120±10MPa。

上述制备方法中，优选的，所述萃取法脱脂时控制溶液流速不大于3cm/s，失重率为3.6-4.2％时终止脱脂进程；所述烧结为在氢气气氛下、峰值温度为1300-1500℃下保温2-3h。在氢气气氛围保护下使得金属铜在微量元素银和硅助熔作用下经过液相和固相烧结过程与金属钨充分融合获得所需高致密钨铜合金产品。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的制备方法制备得到的钨铜合金材料的应用，利用所述钨铜合金材料制备5G领域发射400G信号的光通讯模块，所述光通讯模块包括相互焊接的钨铜合金材料与可伐合金，所述钨铜合金材料与可伐合金作为光通讯模块外壳，所述光通讯模块外壳内部装设有电路板和芯片。

本发明中，银和硅的加入与钨和铜金属特性有关，如钨的硬度，铜的导热散热，银和硅的加入可以解决钨和铜熔点差异大的问题。通过在钨铜合金中添加银、硅元素，经过注射成型的钨铜坯件在1300-1500℃液相状态下进行烧结，烧结过程中钨作为基相合金粉，铜作为液相合金粉，银和硅的加入起到助熔剂作用，使得钨和铜在最低共熔点烧结，铜的晶像组织和钨晶像组织重组融合达到高致密零件，可以实现钨与铜之间的高效融合，获得高致密性钨铜合金。

本发明中，钨铜合金材料中对钨、铜、银和硅的用量有很高的要求，我们研究表明，钨、铜、银和硅的配比会影响到后续钨铜合金材料与可伐合金的焊接性能，会影响到后续制品的致密度、硬度、热导率和热膨胀系数。通过采用MIM工艺，通过钨铜之间的配比优化，再通过银和硅的调控优化，通过钨、铜、银和硅的各用量的调整，各成分之间相互协同作用，可以得到真实密度大于15.2g/cm³，硬度大于260HV，热导率为140-180W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.6-8.8(10^-6/℃)的钨铜合金材料，且其与可伐合金可焊性好，满足5G领域发射400G信号的光通讯模块对材料的需求。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明中通过在钨铜合金中添加银、硅元素，可以实现高含的钨与铜之间的高效融和便于在氢气氛围下易烧结不变性，维持骨架形貌，提高致密化速度、最终制品密度和最终产品的形貌，产品质量更高。

2、本发明通过不断调整钨铜合金的成分，使钨铜合金与可伐合金(4J29)实现良好互焊，且热导率和热膨胀系数满足光通讯模块对材料的需求。

3、本发明的钨铜合金易于实现模组化生产，生产效率高，同时减小加工废料的产生。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份(百分比)的组分：

一种上述的钨铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将56重量份的聚苯乙烯、23重量份的甲基纤维素和22重量份的矿物油在密闭容器内加热到110℃混合搅拌2h得到蜡基型粘结剂；将钨粉、铜粉、银和硅按照上述用量比，通过球磨(转速800rpm，时间4h)获得亚微米基粉末颗粒；再将亚微米基粉末颗粒与蜡基型粘结剂按体积比为12：88混合均匀；

(2)将上述亚微米基粉末颗粒与蜡基型粘结剂的混合料在98℃下密炼6h获得颗粒状钨铜材料；

(3)结合产品形状和材料收缩比例，设计近终形注射模具，注射时控制料温为90℃，模温为65℃，注射压力为110MPa，通过近终形注射成型工艺获得注射坯件；

(4)对注射坯件采用萃取法溶液脱粘，控制溶液流速不大于3cm/s，注意管控脱粘槽装填量，减少坯件变形，失重率为3.8％时终止脱脂进程；

(5)在氢气气氛下、峰值温度为1340℃下保温2h，即得到所述钨铜合金材料。

测定本实施例中钨铜合金材料的真实密度、硬度、热导率和热膨胀系数，密度采用密度分析仪直接测得(常温)，硬度采用维氏硬度计测得(常温)，热导率测量仪器包括电子天平、导热系数仪和差式扫描量热仪，测试环境如下：温度为22℃，湿度为52％RH。热膨胀系数采用热机械分析仪(TMA)型号：Q400EM，测试温度为23.1℃，湿度52％RH。剪切力采用推拉力测试仪。

经测定，本实施例中所得到的钨铜合金材料真实密度为15.26g/cm³，硬度为268HV，热导率为152W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.65(10^-6/℃)。

利用本实施例中的钨铜合金材料制备5G领域发射400G信号的光通讯模块，所述光通讯模块包括相互焊接的钨铜合金材料与可伐合金外壳，光通讯模块外壳内部装设有电路板和芯片。本实施例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为26.5KG。

实施例2：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

本实施例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本实施例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本实施例中所得到的钨铜合金材料真实密度为15.32g/cm³，硬度为272HV，热导率为158W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.68(10^-6/℃)。

利用本实施例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本实施例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为26KG。

实施例3：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

本实施例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本实施例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本实施例中所得到的钨铜合金材料真实密度为15.33g/cm³，硬度为285HV，热导率为167W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.75(10^-6/℃)。

利用本实施例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本实施例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为32KG。

实施例4：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

本实施例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本实施例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本实施例中所得到的钨铜合金材料真实密度为15.3g/cm³，硬度为278HV，热导率为160W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.75(10^-6/℃)。

利用本实施例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本实施例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为30KG。

实施例5：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

本实施例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本实施例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本实施例中所得到的钨铜合金材料真实密度为15.3g/cm³，硬度为275HV，热导率为159W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.6(10^-6/℃)。

利用本实施例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本实施例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为28.5KG。

对比例1：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

钨 80份；

铜 20份。

本对比例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本对比例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本对比例中所得到的钨铜合金材料真实密度为15.2g/cm³，硬度258HV，热导率为55W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为34.3(10^-6/℃)。

利用本对比例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本对比例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)时，其二者不易焊接，焊接力极小，难以测出。

对比例2：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

钨 79.9份；

铜 19.9份；

银 0.2份。

本对比例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本对比例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本对比例中所得到的钨铜合金材料真实密度为14.98g/cm³，硬度为242HV，热导率为57W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为4.6(10^-6/℃)。

利用本对比例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本对比例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25w，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为12KG。

对比例3：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

钨 79.9份；

铜 19.9份；

硅 0.2份。

本对比例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本对比例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本对比例中所得到的钨铜合金材料真实密度为14.88g/cm³，硬度为240HV，热导率为60W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为5.0(10^-6/℃)。

利用本对比例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本对比例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25w，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为7KG。

对比例4：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

本对比例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本对比例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本对比例中所得到的钨铜合金材料真实密度为14.85g/cm³，硬度为236HV，热导率为43W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为3.9(10^-6/℃)。

利用本对比例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本对比例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为10KG。

对比例5：

一种钨铜合金材料，包括以下重量份的组分：

本对比例中的钨铜合金材料的制备方法与实施例1相同。

本对比例中钨铜合金的性能测试方法与实施例1相同。

经测定，本对比例中所得到的钨铜合金材料真实密度为15.05g/cm³，硬度为259HV，热导率为62W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为5.1(10^-6/℃)。

利用本对比例中的钨铜合金材料制备5G光通讯领域可发射400G信号的模块，本对比例中，钨铜合金与可伐合金(4J29)使用激光焊接工艺(功率25W，焦距100cm)，钨铜合金与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为5KG。

Claims

1.一种用于5G领域发射400G信号的光通讯模块的钨铜合金材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：

钨 80.2份；

铜 19.57份；

银 0.08份；

硅 0.15份；

所述钨铜合金材料的真实密度为15.33g/cm³，硬度为285HV，热导率为167W·M^-1·K^-1，热膨胀系数为8.75×10^-6/℃；

所述钨铜合金材料与可伐合金二者相互焊接时焊接面的剪切力为32KG。

2.一种如权利要求1所述的钨铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钨、铜、银、硅与蜡基型粘结剂混合，通过密炼制成粒子、近终形注射成型、萃取法脱粘、烧结后即得到所述的钨铜合金材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述蜡基型粘结剂包括55-60重量份的聚苯乙烯、23-27重量份的甲基纤维素和20-25重量份的矿物油，将所述聚苯乙烯、甲基纤维素和矿物油加热到90-110℃混合搅拌1-3h得到所述蜡基型粘结剂。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钨、铜、银、硅与蜡基型粘结剂混合时，首先将钨粉、铜粉、银和硅通过球磨获得亚微米基粉末颗粒，再将亚微米基粉末颗粒与蜡基型粘结剂按体积比为（10-15）：（85-90）混合均匀。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述密炼的温度为90-110℃，时间为4-6h；所述近终形注射成型时控制料温为80-110℃，模温为50-70℃，注射压力为120±10MPa。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述萃取法脱脂时控制溶液流速不大于3cm/s，失重率为3.6-4.2%时终止脱脂进程；所述烧结为在氢气气氛下、峰值温度为1300-1500℃下保温2-3h。

7.一种如权利要求1所述的钨铜合金材料或如权利要求2-6中任一项所述的制备方法制备得到的钨铜合金材料的应用，其特征在于，利用所述钨铜合金材料制备5G领域发射400G信号的光通讯模块，所述光通讯模块包括相互焊接的钨铜合金材料与可伐合金，所述钨铜合金材料与可伐合金作为光通讯模块外壳，所述光通讯模块外壳内部装设有电路板和芯片。