CN104475732A - 含有双相陶瓷颗粒的Al热沉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有双相陶瓷颗粒的Al热沉及其制备方法，属于半导体激光器芯片封装技术领域。解决了现有技术中的复合热沉陶瓷颗粒与金属基体界面结合不干净，制备方法能耗大、成本高的问题。该Al热沉由10–90vol.％的Al和10–90vol.％的双相陶瓷颗粒组成，其中，双相陶瓷颗粒为过渡族金属元素的碳化物和该过渡族金属元素的硼化物的混合物。该Al热沉热膨胀系数较低且具有较好的导热性能，能够满足半导体激光器芯片封装和散热的要求；另外，该Al热沉的制备方法采用廉价的B₄C粉代替昂贵的B粉制备硼化物陶瓷颗粒，显著的降低了成本，且制备工艺简便、能耗低，易于推广应用。

Description

含有双相陶瓷颗粒的Al热沉及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器芯片封装技术领域，具体涉及一种含有双相陶瓷颗粒的Al热沉及其制备方法。

背景技术

半导体激光器芯片散热用的热沉主要有金属和陶瓷两大类。金属热沉如Cu和Al等具有良好的导热能力，然而其热膨胀系数较大，与半导体激光器芯片的热膨胀系数不匹配，在使用过程中易产生应力集中，降低激光器的使用寿命。而陶瓷热沉虽然热膨胀系数较低，但是其导热系数通常较差，不利于激光器散热，同样会降低半导体激光器的使用寿命。

如果将陶瓷颗粒加入金属热沉中，使热沉同时具有金属与陶瓷的特性，即：具有高导热、低膨胀的特点，就可以满足半导体激光器芯片封装与散热的需求。现有技术中，已有研究者将SiC和金刚石等陶瓷颗粒加入金属中制备热沉。但是制备这种热沉的方法通常为外加法，即将金刚石颗粒或SiC颗粒加入熔融的金属中搅拌，所以制备的热沉中的陶瓷颗粒与金属基体界面结合不干净，不利于其导热系数的提高。另外，外加法制备这种热沉的温度通常需要高于金属的熔点，能耗大，制备成本高。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的复合热沉陶瓷颗粒与金属基体界面结合不干净，制备方法能耗大、成本高的技术问题，提供一种含有双相陶瓷颗粒的Al热沉及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

含有双相陶瓷颗粒的Al热沉，由10–90vol.％的Al和10–90vol.％的双相陶瓷颗粒组成，所述双相陶瓷颗粒为过渡族金属元素的碳化物和该过渡族金属元素的硼化物的混合物。

优选的是，所述过渡族金属元素为Ti、Zr、Nb或者Ta。

含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将10–90vol.％的Al粉与10–90vol.％的混合粉料加入混料机中，混合均匀后，加入模具中，压制成型，得到压坯；

所述混合粉料为过渡族金属元素粉与B₄C粉的混合粉料，混合粉料中过渡族金属元素粉与B₄C粉的物质的量比为3:1，过渡族金属元素粉料的粒度小于等于25μm，B₄C粉的粒度小于等于5μm；

所述Al粉的粒度小于等于50μm；

步骤二、将步骤一得到的压坯放置在烧结炉中的石墨模具中，对烧结炉抽真空后，将烧结炉加热到200℃保温20min以上；

步骤三、将烧结炉继续加热至580℃，保温至压坯中的粉料发生反应；

步骤四、对反应后的压坯施加30MPa-60MPa的压力，保压10s以上，得到含有双相陶瓷颗粒的Al热沉。

优选的是，所述步骤一中，所述过渡族金属元素为Ti、Zr、Nb或者Ta。

优选的是，所述步骤一的混合时间为6h以上，混料机的转速为10-60r/min。

优选的是，所述步骤一的混合时间为6-8h。

优选的是，所述步骤二中，保温20-30min。

优选的是，所述步骤三中，保温时间为5-10min。

优选的是，所述步骤二和步骤三中，压坯的温度通过钨铼热电偶监控。

优选的是，所述步骤四中，保压10-20s。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明含有双相陶瓷颗粒的Al热沉中生成的双相陶瓷颗粒和Al基体为冶金结合，界面干净，结合良好，具有低膨胀、高导热的性能，其热膨胀系数可以达到9.37×10^-6/K，导热系数可以达到163W.m^-1.K^-1，满足大功率半导体激光器芯片封装与散热需求，能够用于大功率半导体激光器芯片封装与散热；

2、本发明含有双相陶瓷颗粒的Al热沉内的陶瓷颗粒(碳化物和硼化物)采用原位内生制备，热沉的制备过程中，廉价的B₄C粉代替昂贵的B粉作为B源，制备出具有高导热、低膨胀的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉，显著的降低了成本；

3、本发明含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法中，由于加热过程中，在较低温度下(580℃)Al粉与过渡族金属元素(Ti/Zr/Nb/Ta)粉会发生固固反应，反应过程中释放出的热量会进一步瞬间引燃整个反应体系，所以本方法制备Al热沉的制备温度为580℃，制备温度低，降低能耗，节约成本，且一次成型，制备工艺简单。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的含有50vol.％TiC-TiB₂的Al热沉的X-射线衍射图谱；

图2为从本发明实施例1制备的Al热沉中萃取的双相陶瓷颗粒在场发射电镜下的形貌。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明权利要求的限制。

含有双相陶瓷颗粒的Al热沉，由10–90vol.％的Al和10–90vol.％的双相陶瓷颗粒组成，其中，双相陶瓷颗粒为过渡族金属元素的碳化物和该过渡族金属元素的硼化物的混合物。过渡族金属元素优选为Ti、Zr、Nb或者Ta，即双相陶瓷颗粒为TiB₂和TiC的混合物、ZrB₂和ZrC的混合物、NbB₂和NbC的混合物、TaB₂和TaC的混合物中的一种。该含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的热膨胀系数可以达到9.37×10^-6/K，导热系数可以达到163W.m^-1.K^-1。

上述含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，主要包括压坯制备和烧结制备热沉两个阶段，烧结制备热沉分为预热、反应和致密化三个过程，具体包括以下步骤：

步骤一、压坯制备：

将10–90vol.％的Al粉与10–90vol.％的混合粉料加入混料机中，混合均匀后，加入不锈钢模具中，压制成型，得到压坯；

其中，混合粉料为过渡族金属元素(Me)粉与B₄C粉的混合粉料，由反应方程式：3Me+B₄C＝2MeB₂+MeC可知，混合粉料中过渡族金属元素粉料与B₄C粉的物质的量比为3:1，生成的硼化物与碳化物陶瓷颗粒的摩尔比为2:1；过渡族金属元素粉料的粒度小于等于25μm，B₄C粉的粒度小于等于5μm，Al粉的粒度小于等于50μm，粒度越小粉料的扩散速度越快，越容易发生反应，反应越完全，如果粉料粒度大于上述尺寸，由于固固扩散速率较低，会导致后期加热过程中粉料之间反应不完全，也就无法制备本发明的热沉；Al粉、过渡族金属元素粉料(Ti粉、Zr粉、Nb粉、Ta粉等)和B₄C粉的纯度皆大于99％，没有其他特殊限制，可通过本领域技术人员公知方式获得；

混料均匀一般需要6h以上，其中混料机的转速为10-60r/min，考虑生产成本和生产效率，一般混合6-8h，混料时间如果低于6h，将混料不均匀，制备的热沉的不同位置的热膨胀系数和导热系数会出现偏差；

步骤二、预热：

将步骤一制备的压坯放置在烧结炉中的石墨模具中，对烧结炉抽真空后，将烧结炉加热到200℃进行预热保温20min以上；

其中，预热能够使压坯温度与烧结炉的温度一致，有利于压坯后期反应完全，可以通过钨铼热电偶监控的压坯温度，预热20min以后压坯温度与烧结炉的温度能够达到一致，考虑生产成本和生产效率，预热时间一般为20-30min；

步骤三、反应：

将烧结炉继续加热至580℃保温，至压坯中的粉料发生反应，一般需保温5-10min；

其中，可以通过钨铼热电偶监控的压坯温度，在烧结炉的温度保持580℃不变的过程中，压坯温度一直是缓慢增加，当发现钨铼热电偶的温度突然快速提高，突然快速提高指压坯温度一般在几秒内(通常2s)由580℃以下升到1000℃以上，证明压坯中的粉料之间发生了反应；

步骤四、致密化：

压坯中的粉料发生反应后，立即对压坯施加30MPa-60MPa的压力，保压10s以上，使反应后的压坯致密化，得到含有双相陶瓷颗粒的Al热沉；

其中，压坯中的粉料发生反应瞬间(1s)就完成的；如果压力和时间小于上述范围值，会导致制备的热沉不致密，压力大于上述范围值会使热沉产生裂纹，考虑生产效率和成本，保压时间一般为10-20s；

本发明实施例中热沉膨胀系数的测量采用GB/T 16535-2008，导热系数测试采用GB/T 3651-2008。

本发明的双相陶瓷颗粒的Al热沉可以用于半导体激光器芯片的散热与封装，其具体应用方法与现有技术中的热沉应用方法相同，一般热沉按照尺寸20mm×20mm×8mm进行精密加工，镀金后用于半导体激光器芯片焊接。

以下结合实施例及附图进一步说明本发明。

实施例1

双相陶瓷颗粒的Al热沉，其组成为：50vol.％的Al和50vol.％的TiB₂–TiC(TiB₂和TiC的物质的量比为2:1)。

上述双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法：

步骤一、将36.78g粒度为50μm的Al粉、45.52g粒度为25μm的Ti粉及17.70g粒度为5μm的B₄C粉装入混料机中混料6h，使之混合均匀；然后把粉料放入不锈钢模具中，压制成坯；

步骤二、将压坯放置在烧结炉中的石墨模具中，抽真空后，将烧结炉加热到200℃预热保温20min；

步骤三、预热后继续加热烧结炉至580℃保温，保温5min后，发现钨铼热电偶的温度突然快速提高，说明压坯中的粉料之间发生了反应；

步骤四、在反应结束后，对反应压坯立即施加30MPa的压力，保压10s，制备出含有50vol.％TiB₂–TiC颗粒的Al热沉。

图1为实施例1制备的Al热沉的X射线衍射图谱，从图1可以看出，实施例1制备的热沉由Al、TiC和TiB₂相组成，说明本发明反应比较完全，产物比较纯净。

图2为实施例1制备的Al热沉中的陶瓷颗粒在场发射电镜下的形貌，其中，尺寸较大且近球形的陶瓷颗粒为TiC颗粒，尺寸较小且呈六棱柱状的陶瓷颗粒为TiB₂颗粒。从图2可以看出，Al热沉中的陶瓷颗粒界面干净。

实施例1制备的含有50vol.％TiB₂–TiC陶瓷颗粒的Al热沉的热膨胀系数为9.37×10^-6/K，导热系数为：163W.m^-1.K^-1，满足半导体激光器芯片焊接的要求。

实施例2

双相陶瓷颗粒的Al热沉，其组成为：90vol.％的Al和10vol.％ZrB₂–ZrC(ZrB₂和ZrC的物质的量比为2:1)。

上述双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法：

步骤一、将79.53g粒度为45μm的Al粉、16.99g粒度为20μm的Zr粉及3.48g粒度为3.5μm的B₄C粉装入混料机中混料7h；然后把粉料放入不锈钢模具中，压制成坯；

步骤二、将压坯放置在烧结炉中的石墨模具中，抽真空后，将烧结炉加热到200℃预热保温25min；

步骤三、预热后继续加热至580℃保温，保温7.5min后，发现钨铼热电偶的温度突然快速提高，说明压坯中的粉料之间发生了反应；

步骤四、在反应结束后，对反应压坯立即施加50MPa的压力，保压20s，制备出含有10vol.％ZrB₂–ZrC颗粒的Al热沉。

实施例3

双相陶瓷颗粒的Al热沉，其组成为：10vol.％的Al和90vol.％的NbB₂–NbC(NbB₂和NbC的物质的量比为2:1)。

上述双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法：

步骤一、将3.98g粒度为25μm的Al粉、79.96g粒度为20μm的Nb粉及16.01g粒度为3.5μm的B₄C粉装入混料机中混料8h；然后把粉料放入不锈钢模具中，压制成坯；

步骤二、将压坯放置在烧结炉中的石墨模具中，抽真空后，将烧结炉加热到200℃预热保温30min；

步骤三、预热后继续加热至580℃保温，保温6min后，发现钨铼热电偶的温度突然快速提高，说明压坯中的粉料之间发生了反应；

步骤四、在反应结束后，对反应压坯立即施加60MPa的压力，保压10s，制备出含有90vol.％NbB₂–NbC粒的Al热沉。

实施例4

双相陶瓷颗粒的Al热沉，其组成为：40vol.％的Al和60vol.％的TaB₂–TaC(TaB₂和TaC的物质的量比为2:1)。

上述双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法：

步骤一、将18.33g粒度为25μm的Al粉、62.37g粒度为20μm的Ta粉及19.30g粒度为3.5μm的B₄C粉装入混料机中混料8h；然后把粉料放入不锈钢模具中，压制成坯；

步骤二、将压坯放置在烧结炉中的石墨模具中，抽真空后，将烧结炉加热到200℃预热保温25min；

步骤三、预热后继续加热至580℃保温，保温6.5min后，发现钨铼热电偶的温度突然快速提高，说明压坯中的粉料之间发生了反应；

步骤四、在反应结束后，对反应压坯立即施加50MPa的压力，保压10s，制备出含有60vol.％TaB₂–TaC粒的Al热沉。

显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.含有双相陶瓷颗粒的Al热沉，其特征在于，由10–90vol.％的Al和10–90vol.％的双相陶瓷颗粒组成，所述双相陶瓷颗粒为过渡族金属元素的碳化物和该过渡族金属元素的硼化物的混合物。

2.根据权利要求1所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉，其特征在于，所述过渡族金属元素为Ti、Zr、Nb或者Ta。

3.含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将10–90vol.％的Al粉与10–90vol.％的混合粉料加入混料机中，混合均匀后，加入模具中，压制成型，得到压坯；

所述混合粉料为过渡族金属元素粉与B₄C粉的混合粉料，混合粉料中过渡族金属元素粉与B₄C粉的物质的量比为3:1，过渡族金属元素粉料的粒度小于等于25μm，B₄C粉的粒度小于等于5μm；

所述Al粉的粒度小于等于50μm；

步骤二、将步骤一得到的压坯放置在烧结炉中的石墨模具中，对烧结炉抽真空后，将烧结炉加热到200℃保温20min以上；

步骤三、将烧结炉继续加热至580℃，保温至压坯中的粉料发生反应；

步骤四、对反应后的压坯施加30MPa-60MPa的压力，保压10s以上，得到含有双相陶瓷颗粒的Al热沉。

4.根据权利要求3所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，过渡族金属元素为Ti、Zr、Nb或者Ta。

5.根据权利要求3所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，所述步骤一的混合时间为6h以上，混料机的转速为10-60r/min。

6.根据权利要求4所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，所述步骤一的混合时间为6-8h。

7.根据权利要求3所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，保温20-30min。

8.根据权利要求3所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，保温时间为5-10min。

9.根据权利要求3所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中，压坯的温度通过钨铼热电偶监控。

10.根据权利要求3所述的含有双相陶瓷颗粒的Al热沉的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，保压10-20s。