CN103056338A - 大功率模块用铝碳化硅基板成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，包括以下步骤：第一步：设计与制备成形用模壳：根据铝碳化硅基板的形状及尺寸，设计与制备铝碳化硅基板成形用模壳，所述模壳为熔模铸造模壳或壳型铸造模壳；所述模壳的外部通过砂箱紧固；第二步：将碳化硅粉末装入第一步制得的模壳中，并利用振动紧实方法紧实碳化硅粉末；第三步：将模具与砂箱装配好后进行预热；第四步：将熔炼好的铝合金熔液浇注至已预热好的模具中，施加压力使铝合金熔液充满碳化硅粉末之间的孔隙，并在压力下凝固，将模壳破碎后即获得成形的大功率模块用铝碳化硅基板。本发明实现铝碳化硅基板的净成形，大大降低产品的制造成本。

Description

大功率模块用铝碳化硅基板成形方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其是涉及铝碳化硅基板成形方法。
背景技术
大功率模块（例如IGBT模块）可广泛应用于轨道交通、航空航天、智能电网、新能源、电动汽车等战略性产业领域，是节能技术和低碳经济的主要支撑，被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。随着半导体技术的发展，功率模块芯片集成度不断提高、芯片功率不断增大，功率模块芯片的工作温度也随之不断上升，相应的对其封装材料尤其是基板的要求也越来越高，不仅要求基板具有与电子芯片相匹配的较低的热膨胀系数，要求满足轻量化，材料的密度低、弹性模量高，并具有较高的热导率。
传统的IGBT模块的基板材料如金属铝、铜、可伐合金、钨铜、钼铜等虽然具有合适的热膨胀系数（CTE），但其热导率低，电阻率高，密度也较大，使其应用受到了很大的限制，较难满足功率模块不断发展对封装和基板材料的需要。而铝碳化硅（AlSiC）材料的低膨胀系数和高热导率的特性使其成为大功率IGBT的理想基板材料，它的应用能极大提高IGBT功率器件的可靠性。
现有技术中，制备铝碳化硅基板主要是通过预制块法将铝碳化硅制备成大尺寸块体材料，再采用切割、磨削、精加工的方法获取最终产品所需的形状及尺寸。虽然通过该方法可以制备出具有良好性能的铝碳化硅基板，但是还存在如下缺点：由于碳化硅极高的硬度（仅次于金刚石），后续的加工需要利用金刚石刀具，产品的制造成本高，且后续的多道次机加工造成铝碳硅材料及能源的浪费。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中制备铝碳化硅基板困难、加工成本高等缺点，提供一种大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，本方法属于精密成形技术，成形成本低，无材料与能源的浪费。
本发明所采用的技术方案如下：
一种大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，包括以下步骤：
第一步：设计与制备成形用模壳：根据铝碳化硅基板的形状及尺寸，设计与制备铝碳化硅基板成形用模壳，所述模壳为熔模铸造模壳或壳型铸造模壳；所述模壳的外部通过砂箱紧固；
第二步：将碳化硅粉末装入第一步制得的模壳中，并利用振动紧实方法紧实碳化硅粉末；
第三步：将模具与砂箱装配好后进行预热；
第四步：将熔炼好的铝合金熔液浇注至已预热好的模具中，施加压力使铝合金熔液充满碳化硅粉末之间的孔隙，并在压力下凝固，将模壳破碎后即获得成形的大功率模块用铝碳化硅基板。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述模具与砂箱的安装结构为：所述模具通过密封圈安装于砂箱顶部；
第一步中，砂箱紧固的方法采用填充黄砂、石膏、莫来砂；
第二步中，所述振动紧实方法为二维机械振动、三维机械振动、超声波振动；
第三步中，模具预热的温度为400-800℃；
第四步中，施加压力的方式为液压或气压，施加的压力值为5 MPa～40MPa，加压时间为 1～10min。
本发明的有益效果如下：
本发明采用熔模铸造模壳或壳型铸造模壳，达到精密成形的技术效果，可实现铝碳化硅基板的净成形，大大降低产品的制造成本；利用机械振动、超声振动可提高碳化硅粉末的紧实度，制备出具有更高导热率、低膨胀的大功率模块用铝碳化硅基板材料。本发明尤其适用于大功率IGBT模块用铝碳化硅基板成形。
附图说明
图1为本发明铝合金溶液浇入模具内时的结构示意图。
图2为本发明对铝合金溶液加压充型时的结构示意图。
图3为本发明制作的铝碳化硅基板的结构示意图。
其中：1、铝合金熔液；2、模具；3、密封圈；4、铝碳化硅基板模块型腔；5、模壳；6、砂箱；7、铝碳化硅基板。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明的模具体结构为：包括模壳5，模壳5内形成有铝碳化硅基板模块型腔4，模壳5的外部通过砂箱6紧固，砂箱6顶部通过密封圈3安装模具2，模具2内浇注铝合金熔液1，并通过施加压力，将铝合金熔液1流入铝碳化硅基板模块型腔4内。
本实施例的大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，包括以下步骤：
第一步：设计与制备成形用模壳5：根据所需制作的铝碳化硅基板7的形状及尺寸，设计与制备铝碳化硅基板7成形用模壳5，模壳5为熔模铸造模壳或壳型铸造模壳；模壳5的外部通过砂箱6紧固，从而保证了模壳5的强度；
第二步：将碳化硅粉末装入第一步制得的模壳5中，并利用振动紧实方法紧实碳化硅粉末；
第三步：将模具2与砂箱6装配好后进行预热；模具2与砂箱6的安装结构为：模具2通过密封圈3安装于砂箱6顶部；
第四步：见图1，将熔炼好的铝合金熔液1浇注至已预热好的模具2中，见图2，施加压力使铝合金熔液1充满碳化硅粉末之间的孔隙，并在压力下凝固，见图3，将模壳5破碎后即获得成形的大功率模块用铝碳化硅基板7。
第一步中，砂箱6紧固的方法采用填充黄砂、石膏、莫来砂。
第二步中，振动紧实方法为二维机械振动、三维机械振动、超声波振动。
第三步中，模具2预热的温度为400-800℃。
第四步中，施加压力的方式为液压或气压，施加的压力值为5 MPa～40MPa，加压时间为 1～10min。
实施例一： 
利用熔模铸造技术制备一定形状的铝碳化硅基板用模壳5，将碳化硅粉末装入模壳5，通过二维机械振动的方法将碳化硅粉末紧实，将模壳5预热至800℃后，浇入铝合金熔液1并使其在液压作用下充填并凝固，除去模壳5即得铝碳化硅基板7。将所制备的铝碳化硅基板7进行表面粗糙度及外观尺寸测量，表面粗糙度为Ra1.6，尺寸偏差±0.05mm。
实施例二： 
利用壳型铸造技术制备一定形状的铝碳化硅基板用模壳5，将碳化硅粉末装入模壳5，通过三维机械振动的方法将碳化硅粉末紧实，石膏装填入砂箱6后装模壳5固定，并使之与模具2装配，将模壳5预热至600℃后，浇入铝合金熔液1并使其在气压作用下充填并凝固，除去模壳5即得铝碳化硅基板7。将所制备的铝碳化硅基板7进行表面粗糙度及外观尺寸测量，表面粗糙度为R3.2，尺寸偏差±0.1mm。
实施例三：
利用熔模铸造技术制备一定形状的铝碳化硅基板用模壳5，将碳化硅粉末装入模壳5，通过超声振动的方法将碳化硅粉末紧实，莫来砂装填入砂箱6后装模壳5固定，并使之与模具2装配，将模壳5预热至400℃后，浇入铝合金熔液1并使其在液压作用下充填并凝固，除去模壳5即得铝碳化硅基板7。将所制备的铝碳化硅基板7进行表面粗糙度及外观尺寸测量，表面粗糙度为Ra1.6，尺寸偏差±0.1mm。
本发明利用模壳形成技术，表面质量及尺寸均满足产品要求的铝碳化硅基板，制造成本低，加工方便，无资源浪费。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。 

Claims (6)

1.一种大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：设计与制备成形用模壳：根据铝碳化硅基板的形状及尺寸，设计与制备铝碳化硅基板成形用模壳，所述模壳为熔模铸造模壳或壳型铸造模壳；所述模壳的外部通过砂箱紧固；
第二步：将碳化硅粉末装入第一步制得的模壳中，并利用振动紧实方法紧实碳化硅粉末；
第三步：将模具与砂箱装配好后进行预热；
第四步：将熔炼好的铝合金熔液浇注至已预热好的模具中，施加压力使铝合金熔液充满碳化硅粉末之间的孔隙，并在压力下凝固，将模壳破碎后即获得成形的大功率模块用铝碳化硅基板。
2.如权利要求1所述的大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，其特征在于：所述模具与砂箱的安装结构为：所述模具通过密封圈安装于砂箱顶部。
3.如权利要求1所述的大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，其特征在于：第一步中，砂箱紧固的方法采用填充黄砂、石膏、莫来砂。
4.如权利要求1所述的大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，其特征在于：第二步中，所述振动紧实方法为二维机械振动、三维机械振动、超声波振动。
5.如权利要求1所述的大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，其特征在于：第三步中，模具预热的温度为400-800℃。
6.如权利要求1所述的大功率模块用铝碳化硅基板成形方法，其特征在于：第四步中，施加压力的方式为液压或气压，施加的压力值为5 MPa～40MPa，加压时间为 1～10min。
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