陣列式微流道的粉末微注射成形技術(shù)*

王長瑞，肖 竑，邵奎武，盧 振，張凱鋒

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

陣列式微流道的粉末微注射成形技術(shù)*

王長瑞1，肖 竑1，邵奎武1，盧 振2，張凱鋒2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

作為一種近凈成形技術(shù)，粉末微注射成形具有低成本、高精度、高效率的特點，在成形微小型復(fù)雜形狀的零件方面優(yōu)勢突出。文中詳述了粉末微注射成形制備工藝，采用納米級粉末材料，通過優(yōu)化成形參數(shù)，成功制備了滿足實際使用要求的陣列式微流道零件，成形精度誤差低，不超過1.5%，降低成本50%以上。此粉末微注射成形制備陣列式微流道技術(shù)對電子機械領(lǐng)域微小型電子元器件的設(shè)計和制造具有重要的借鑒意義。

粉末微注射成形;微流道;電子元器件

引 言

隨著產(chǎn)品微型化的飛速發(fā)展，對微小型零部件的需求日益增加[1]。微流道是使用最廣泛的一種典型微結(jié)構(gòu)，它作為傳遞和交換媒介在IT、航空航天、信息通訊、核工業(yè)、液壓元件以及微機械等領(lǐng)域中的使用越來越多，如噴氣機渦輪葉片冷卻孔、散熱裝置中的微流道結(jié)構(gòu)、微泵中的陣列孔微細(xì)結(jié)構(gòu)、印刷電路板、微型燃料電池的通道等[2-4]。為了滿足微結(jié)構(gòu)和微型零件的加工需求，出現(xiàn)了微注射成形、微沖壓、微彎曲、微拉深、微超塑性擠壓、微壓印等技術(shù)。粉末微注射成形具有可加工形狀復(fù)雜制品、尺寸適應(yīng)性好、成本低、效率高、可連續(xù)化自動化生產(chǎn)、適用材料品種多等一系列優(yōu)點，作為一種高效的微成形技術(shù)越來越受到人們的重視[5-6]。本文主要基于粉末微注射成形制備陣列式微流道的研究，探討該技術(shù)在雷達領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 實 驗

實驗選擇一種典型的微結(jié)構(gòu)(陣列式微流道)進行粉末微注射成形研究，其主要流程為模具制造→粉末與粘結(jié)劑選擇→喂料制備→注射成形→脫脂→燒結(jié)。

1.1模具制造

粉末微注射成形制備零件的形狀是由模具決定的，所以加工高精度、高表面質(zhì)量的模具及微小型芯、型腔是至關(guān)重要的一步。實驗用模具如圖1所示，模具型芯上有3個長徑比在10以上的微型圓柱，用于成形陣列式微流道，要求燒結(jié)后微流道的理想尺寸為450 μm，根據(jù)實驗用喂料的粉末裝載量對模具型芯上的微小圓柱尺寸進行相應(yīng)比例的放大。為實現(xiàn)注射成形時喂料的完全和均勻填充，采用電熱棒加熱，可在滿足高模溫要求的同時盡量提高升溫速率，并采用多通道水循環(huán)冷卻。

圖1 成形用模具

1.2粉末和粘結(jié)劑選擇

燒結(jié)過程的本征熱力學(xué)驅(qū)動力與粉末的顆粒比表面積有關(guān)，粉末顆粒尺寸越小，比表面能越大，本征表面能驅(qū)動力就越大，越有利于燒結(jié)，因此實驗采用粒徑為200 nm的3mol Y2O3部分穩(wěn)定四方相ZrO2超細(xì)粉末進行相關(guān)注射成形研究，粉末形貌如圖2所示。

圖2 實驗用粉末的微觀組織圖

粉末之所以能夠像塑料一樣具有流動性，可以進行粉末微注射成形，主要是因為所添加的粘結(jié)劑。一般要求為：粘結(jié)劑和粉末具有很好的潤濕性，相容性好；制得喂料的粘度低，滿足假塑性流體條件；成形后零件具有較好的強度以便于在脫模、脫脂時脫除而不使零件產(chǎn)生缺陷。經(jīng)多次實驗，最終采用了石蠟基粘結(jié)劑。此粘結(jié)劑成本低，易于脫除，流動性好，有利于喂料填充。

1.3喂料制備

喂料是指將粉末和粘結(jié)劑在一定的溫度下進行均勻混合，以得到適合粉末微注射成形用的粉末和粘結(jié)劑混合物。實驗中具體制備工藝為：先加入事先稱量好的粉末，加熱至175 ℃并保溫30 min后啟動雙行星轉(zhuǎn)子，以20 r/min的速度轉(zhuǎn)動，使粉末整體受熱均勻，然后以40 r/min的轉(zhuǎn)速進行轉(zhuǎn)動，向料筒內(nèi)依次加入粘結(jié)劑，繼續(xù)混煉30 min，冷卻后取出混煉后的喂料，在擠出機上進行多次擠壓，制得顆粒狀喂料。

1.4注射成形

注射成形是整個工藝流程中最重要的一步，它直接決定制得零件的形狀和質(zhì)量。經(jīng)多次實驗研究發(fā)現(xiàn)，塑化溫度、注射壓力、模具溫度、保壓時間等參數(shù)對注射成形零件的質(zhì)量影響較大。在注射成形過程中零件容易產(chǎn)生氣孔、中空和裂紋等缺陷，這些缺陷在脫脂和燒結(jié)時會被放大，在后續(xù)的工藝中無法消除。為了便于脫模，實驗采用二甲基硅油作為脫模劑，它具有卓越的耐熱性、電絕緣性、耐候性、疏水性、生理惰性和較小的表面張力，還具有低的黏溫系數(shù)及較高的抗壓縮性。

1.5脫脂工藝與燒結(jié)工藝

脫脂工藝也是粉末微注射成形的關(guān)鍵步驟之一，同時也是用時最長的一步，主要是脫除注射成形制得坯料內(nèi)的粘結(jié)劑，為后續(xù)燒結(jié)做準(zhǔn)備。實驗采用的脫脂工藝為：首先將零件加熱到500 ℃并保溫2 h，此時主要粘結(jié)劑基本脫除；然后將零件加熱到900 ℃并保溫2 h，此階段主要是預(yù)燒結(jié)工藝，以使脫脂后的零件具有較好的強度。

不同的材料需要選擇合適的燒結(jié)工藝，對于ZrO2陶瓷來說，在空氣中就具有較好的燒結(jié)特性，不會發(fā)生氧化現(xiàn)象，因此脫脂后的ZrO2陶瓷試樣采用空氣爐在大氣中直接進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度區(qū)間為1 400 ℃～ 1 550 ℃。

2 結(jié)果與討論

如果混煉后喂料不均勻，注射后的坯料就會出現(xiàn)密度梯度，脫脂后會出現(xiàn)空隙梯度，燒結(jié)后零件就會發(fā)生扭曲。為此，實驗采用阿基米德排水法，通過密度分析進行喂料均勻性評估。圖3所示為長2 mm～3 mm的圓柱形喂料顆粒，喂料密度誤差在10-3量級，均勻性好，滿足后續(xù)注射成形要求。

圖3 混煉造粒后喂料圖

經(jīng)多次實驗，確定了合適注射成形工藝參數(shù) (表1)成功制得的無宏觀缺陷的微流道試樣，如圖4所示。微流道零件很好地復(fù)制了模具，表面質(zhì)量良好，沒有發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、熔接痕和飛邊等缺陷。對于微流道零件來說，對產(chǎn)品質(zhì)量影響最大的是微孔的圓度和微孔之間的平行度。從圖5可以看出，注射成形后微孔具有很好的圓度，兩兩微孔中心軸具有很好的平行度。

表1 微流道的粉末微注射成形參數(shù)選擇

圖4 注射后微流道零件實物圖

圖5 注射后微流道局部視圖

脫脂后試樣斷口如圖6所示，表現(xiàn)出一定的燒結(jié)特性，有少量的燒結(jié)頸出現(xiàn)，但存在一些較大的氣孔。這主要是因為脫脂時粘結(jié)劑分解氣化，產(chǎn)生的氣體壓力使氣體周圍的粉末顆粒發(fā)生重排，氣體排除后就殘留下了大量的氣孔。經(jīng)測試，脫脂后試樣強度在6.5 MPa以上，滿足后續(xù)燒結(jié)處理要求。

圖6 脫脂后斷口視圖

對脫脂后試樣在1 400 ℃～1 550 ℃區(qū)間進行燒結(jié)，研究發(fā)現(xiàn)在1 500 ℃燒結(jié)后試樣性能最佳，制得零件的線性收縮、致密度和彎曲強度可以分別達到18.04%、99.5%和503.6 MPa。圖7為注射、脫脂和燒結(jié)后的試樣實物圖。在各個階段，試樣都具有很好的保形性，并無宏觀裂紋、翹曲等缺陷出現(xiàn)。微流道具有很好的圓度，圓孔軸向方向具有很高的平行度，選擇合適的喂料和粉末裝載量，設(shè)計合適的注射、脫脂和燒結(jié)工藝，可以得到較高的成形精度，尺寸誤差在1.5%以下。

圖7 不同階段微流道零件實物圖

在此基礎(chǔ)上進行了微流道數(shù)量在幾十個以上的粉末微注射成形實驗，如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)采用粉末微注射成形后制備的微流道零件尺寸精度高，基本不需要后續(xù)處理就可以直接使用，實現(xiàn)了近凈成形目的，在提高效率的同時可節(jié)約成本50%以上。

圖8 粉末微注射成形制備的陣列式微流道

3 在雷達中的應(yīng)用展望

目前，粉末微注射成形技術(shù)已在電子機械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成功制得電真空元器件用4J42Invar合金、SiC半導(dǎo)體器件、機柜等零部件以及AlN散熱器等電子器件和相關(guān)結(jié)構(gòu)件[7-10]。相關(guān)研究也推動了粉末微注射成形技術(shù)在雷達中的應(yīng)用。如文獻[11]采用此技術(shù)制得雷達機柜通用插箱提手，供貨期由60天減至30天，成本也降低了1/3以上；日本Taisei-Kogyo 有限公司與大阪府立大學(xué)合作開發(fā)制作金屬注射成形金剛石/銅復(fù)合材料吸熱部件，其導(dǎo)熱系數(shù)達到了580 W/ (m·K)，約為純銅的1.4倍。結(jié)合雷達部件和粉末微注射成形的特點，未來該技術(shù)可用于加工雷達中微小型磁體和半導(dǎo)體器件、T/R組件封裝殼體、輕型難加工電源微小殼體(AlSi殼體)、散熱元器件(具有陣列式微流道的散熱器)和微小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等電子類及結(jié)構(gòu)類難成形的微小型復(fù)雜零件和封裝殼體，以滿足低成本、高效率、大批量的生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

本文采用納米級粉末和石蠟基粘結(jié)劑，利用粉末微注射成形技術(shù)成功制得陣列式微流道零件。制得的零件致密度高，力學(xué)性能好，尺寸精度誤差低于1.5%。與傳統(tǒng)加工方法相比，采用此方法成形微流道可有效降低成本50%以上。該先進成形技術(shù)可以在雷達領(lǐng)域推廣應(yīng)用，可低成本、高質(zhì)量地加工微小型封裝殼體和電子元件用零部件、散熱器件等。

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王長瑞(1983-)，男，工程師，主要從事雷達發(fā)射機和電源結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Micro-powderInjectionMoldingforMicro-channelArray

WANGChang-rui1，XIAOHong1，SHAOKui-wu1，LUZhen2，ZHANGKai-feng2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

As a near-net formation technology, the powder injection molding has advantages in production of the micro-part requiring complex shaping and mass production due to its low cost, fine accuracy and high efficiency. The preparation technology of micro-powder injection molding is introduced in detail in this paper. The micro-part with micro-channel array is manufactured with the nano-powders and by optimizing the forming parameters. The results indicate that the performance of micro-part meets the application requirement. The formation accuracy deviation of the micro-part is small and does not exceed 1.5%. The production cost is reduced by more than 50%. The formation process of micro-part with micro-channel array by micro-powder injection molding is of important instructiveness for the design and fabrication of electronic components with micro-structure in electro-mechanical field.

micro-powder injection molding; micro-channel; electronic component

2015-04-07

TF124.3

：A

：1008-5300(2015)04-0046-03