CN103433486B - 一种铝碳化硅基板骨架的制备模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝碳化硅基板骨架的制备模具及其制备方法。为了降低铝碳化硅基板的制造成本，所述模具包括上模、下模和型腔；所述上模的下表面带有凸台，所述下模的上表面为凹球面；所述型腔与上模和下模配合，下模上表面的凹球面与铝碳化硅基板的底面拱度一致；所述上模的凸台设置在与铝碳化硅基板打孔或攻丝的位置对应处。本发明加工工艺简单，生产效率高、成本低，适用性强。

Description

一种铝碳化硅基板骨架的制备模具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔铝碳化硅骨架的制备领域，具体为一种制备铝碳化硅基板骨架的模具及铝碳化硅基板的制备方法。

背景技术

铝碳化硅复合材料具有质量轻、热导率高、热膨胀系数低、比强度高等优异特性，可以用于电子封装散热基板，也可以用于制造精密仪器的关键部件；是减少载荷，取代钨铜合金电子封装材料的先进复合材料。

国内目前通常采用电阻烧结炉烧结铝碳化硅复合材料的碳化硅骨架（专利文献1），然后采用真空压力浸渍工艺在碳化硅骨架上渗铝合金，再机械加工成工件。当铝碳化硅基板与其他零件结合使用时，如散热片，通常是在铝碳化硅基板的周缘部位打孔或攻丝，用螺丝将底板固定在散热片等上，如果基板上存在微小的凹凸，则基板和散热片之间存在会产生缝隙，会存在基板与组件之间的导热性下降。

因此，为了使基板与散热片结合时不产生间隙，要求采用带有一定拱度的铝碳化硅基板。采用具有规则形状的模具对基板热压成型，获得的拱面弯曲度参次不齐，同样会使基板与散热片之间产生缝隙影响导热。

如果采用机械加工对基板表面数控车而形成拱面的方法，铝碳化硅复合材料的硬度仅次于金刚石，属于难加工材料之一，且必须使用金刚石等工具进行加工，存在加工难度大，加工周期长，成本高等问题。另外，在铝碳化硅基板上打孔或攻丝存在相同的问题。

日本电气化学工业株式会社采用在铝碳化硅复合材料表面覆铝的工艺，然后在铝合金上机械加工成拱面，机械加工易造成拱面铝层厚度分布不均匀，中间部位的铝层厚，从而引起拱面导热不均匀，导致基板与芯片焊接时变形。

日本电气化工业株式会社的专利铝-碳化硅复合体中提到在碳化硅的散热面采用成型或者机械加工骨架的方法形成弯曲形状，成型方法没有提及模具的设计；采用机械加工形成弯曲形状增加了制备工序，增加了成本。

发明内容

为了克服现有的制备铝碳化硅基板存在的上述不足，本发明旨在提供一种制备铝碳化硅基板的及铝碳化硅基板的制备方法，该模具及制备方法加工工艺简单，生产效率高、成本低，适用性强。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种制备铝碳化硅基板骨架的模具，包括上模、下模和型腔；其结构特点是，所述上模的下表面具有向下延伸的凸台，所述下模的上表面为凹球面，该凹球面与铝碳化硅基板的底面拱度一致；所述上模的凸台设置在与铝碳化硅基板打孔或攻丝的位置对应处。

由此，制备的碳化硅骨架时，在需要打孔或攻丝的对应位置预留出所需孔洞，在真空浸渗时使孔洞充满铝合金；同时，制备的碳化硅骨架的一面带有所需的拱度，真空浸渗后，在铝合金上机械加工形成拱面；骨架成型模具的下模表面设计成凹球面，使所成型的碳化硅骨架的一面具有所需的拱度。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

为了方便脱模，上模具有一定的拔模斜度，所述上模向下延伸的凸台为锥台形凸台。更进一步地，所述锥台母线与其轴心线的夹角不大于5°。

本发明还提供了一种利用上述制备铝碳化硅基板骨架的模具及制备铝碳化硅基板的方法，其包括如下步骤：

a）将碳化硅粉末300质量份、高温粘接剂2~4质量份和低温粘结剂1-3质量份混合；

b）将步骤a）所得混合物干燥，并过筛造粒；

c）将造粒后的混合物置于所述型腔内，并在70~120MPa的压力下模压成型得碳化硅骨架；

d）从型腔内取出碳化硅骨架，并将碳化硅骨架放入微波炉内加热至600℃～800℃，并保温和冷却，得到有一定强度的多孔碳化硅骨架；

e）将多孔碳化硅骨架在6～10MPa的压力下浸渗铝合金熔液，得铝碳化硅基板。

作为一种具体的多孔碳化硅骨架结构，所述多孔碳化硅骨架的孔隙率为25%～40%。

进一步地，在步骤e）中，多孔碳化硅骨架浸渗铝合金熔液在真空条件下进行，温度为750℃～850℃。

进一步地，所述铝碳化硅基板的外表面进行镀镍磷合金处理，镍磷合金厚度为10μm～20μm

进一步地，所述铝碳化硅基板表面的铝合金层厚度不超过0.5mm。

藉由上述结构，本发明是通过在制备碳化硅骨架时，在上模上按照孔的尺寸设计圆柱形凸台，在碳化硅骨架上预留出打孔或攻丝的圆形孔洞，在真空压力浸渍铝合金时，孔洞部位充满铝合金，在铝合金上打孔或攻丝降低了加工成本，提高了加工效率，同时不影响铝碳化硅复合材料的性能；下模的上表面按基板拱度尺寸设计成凹球面，使碳化硅骨架的下表面带有一定的拱度，经碳化硅骨架真空压力渗铝后，在该基板的铝合金层上机械加工成凸球面，避免了在铝碳化硅复合材料上机械加工，提高效率，降低成本。

本发明采取的技术方案主要包括以下步骤：

（1）骨架成型模具设计：

（A）上模的设计：根据基板上孔或攻丝部位的位置及尺寸设计成有圆柱台形的凸台，在凹凸连接部位采用圆弧过渡，将模具设计成具有一定的拔模斜度，其方法为：出模方向上的倾斜角度小于等于5度；

（B）下模的设计：根据基板拱度的尺寸要求设计下模，将下模设计成凹球面，从而使骨架的一面具有所需的拱度；

（2）使用上述（1）中的模具制备的IGBT基板用碳化硅骨架，其体积分数为60%～75%（即孔隙率为25%～40%）；

（3）上述（2）制备的IGBT基板用碳化硅骨架，烧结温度为600℃～800℃；

（4）上述（3）中的IGBT基板用骨架，采用真空压力渗铝合金方法：将碳化硅骨架和陶瓷隔板交替叠放，装入渗铝不锈钢盒子里，然后将不锈钢盒子装入真空浸渍炉，渗铝压力为8Mpa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)基板的两主面包覆有均匀的金属铝层，且安装孔位置以及两主面全部由铝合金形成，四周裸露铝碳化硅复合材料。

2)对铝碳化硅复合材料的拱面利用数控车在金属铝合金层加工拱面，拱面的铝层厚度分布均匀，不影响整体性能，热导率在185W/m·K以上，且温度为150℃时热膨胀系数小于7.5×10^-6/K。

3)真空压力浸渗法制备的铝碳化硅基板，在其表面实施化学镀镍磷合金处理，形成10～20??m的镀层，磷含量小于8%。

总之，本发明加工工艺简单，生产效率高、成本低，适用性强。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图。

在图中

1-上模；2-圆柱凸台；3-型腔；4-碳化硅颗粒；5-下模。

具体实施方式

实施例1

铝碳化硅复合材料碳化硅骨架尺寸为130mm×140mm×5mm。

（1）按配比称取碳化硅粉末A和B共300g，高温粘接剂3%和低温粘接剂2%，用搅拌机混合30min；

（2）将上述混合物放入烘箱，在80℃下进行干燥，然后用筛料机过筛造粒；

（3）将上述碳化硅颗粒按图1所示方法，以100MPa的压力下模压成型；

（4）将上述压制成型的碳化硅骨架码放5层为1垛，每板上放6垛，每垛四周留1mm的间距，将码放好碳化硅骨架的耐火材料板放入微波炉内，升温至800℃，保温60min，得到多孔碳化硅骨架，体积分数为65%；

（5）将上述体积分数为70%的碳化硅骨架与陶瓷板交叉叠放，装入不锈钢盒子里，然后焊接导液管，采用真空压力浸渗铝合金熔液，金属6063铝合金在750℃下熔化，在10MPa的压力下浸渗成型，获得铝碳化硅基板毛坯；

（6）将上述铝碳化硅基板毛坯拆解去毛刺，经过少量机械加工后获得铝碳化硅基板，基板的热导率为192W/m·k，25℃～150℃热膨胀系数为6.2×10^-6/K，致密度高。

实施例2

铝碳化硅复合材料碳化硅骨架尺寸为110mm×80mm×4mm。

（1）按配比称取碳化硅粉末A和B共300g，高温粘接剂3%和低温粘接剂2%，用搅拌机混合30min；

（2）将上述混合物放入烘箱，在80℃下进行干燥，然后用筛料机过筛造粒；

（3）将上述碳化硅颗粒按图1所示方法，以80MPa的压力下模压成型；

（4）将上述压制成型的碳化硅骨架码放5层为1垛，每板上方6垛，每垛四周留1mm的间距，将码放好碳化硅骨架的耐火材料板放入微波炉内，升温至800℃，保温60min，得到多孔碳化硅预制件，体积分数为70%；

（5）将上述体积分数为65%的碳化硅骨架与陶瓷板交叉叠放，装入不锈钢盒子里，然后焊接导液管，采用真空压力浸渗6063铝合金熔液，金属铝合金在750℃下熔化，在8MPa的压力下浸渗成型，获得铝碳化硅基板毛坯；

（6）将上述铝碳化硅基板毛坯拆解去毛刺，经过少量机械加工后获得铝碳化硅基板，基板的热导率为190W/m·k，25℃～150℃热膨胀系数为7.0×10^-6/K，致密度高。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种铝碳化硅基板骨架的制备模具，包括上模（1），下模（5）和型腔（3）；其特征在于，所述上模（1）的下表面具有向下延伸的凸台（2）；所述下模（5）的上表面为凹球面，该凹球面与铝碳化硅基板的底面拱度一致；所述上模（1）的凸台（2）设置在与铝碳化硅基板打孔或攻丝的位置对应处。

2.根据权利要求1所述的铝碳化硅基板骨架的制备模具，其特征在于，所述上模（1）向下延伸的凸台为锥台形凸台。

3.根据权利要求2所述的铝碳化硅基板骨架的制备模具，其特征在于，所述锥台母线与其轴心线的夹角不大于5°。

4.一种利用权利要求1～3之一所述铝碳化硅基板骨架的制备模具制备铝碳化硅基板的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）将碳化硅粉末300质量份、高温粘接剂2~4质量份和低温粘结剂1-3质量份混合；

b）将步骤a）所得混合物干燥，并过筛造粒；

c）将造粒后的混合物置于所述型腔内，并在70~120MPa的压力下模压成型得碳化硅骨架；

d）从型腔内取出碳化硅骨架，并将碳化硅骨架加热至600℃~1000℃，并保温及冷却后，得到多孔碳化硅骨架；

e）将多孔碳化硅骨架在8~10MPa的压力下浸渗铝合金熔液，冷却后，得铝碳化硅基板。

5.根据权利要求4所述制备铝碳化硅基板的方法，其特征在于，所述铝碳化硅基板表面的铝合金层厚度不超过0.5mm。