CN109175312B - 一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具及成型方法，属于复合材料散热基板制造技术领域。该模具包括相互配合的上模和下模，上模包括上模固定板、上模芯、排气垫板和顶料板，上模固定板与上模芯之间设置排气垫板，上模固定板或上模芯与排气垫板之间为固定连接，顶料板设置于上模固定板上方，顶料板上设置顶料柱，上模固定板、排气垫板和上模芯上均设置与顶料柱匹配的圆孔，下模包括下模固定板和下模腔，下模固定板和下模腔之间为固定连接，下模腔设置浇料通道。该模具结构设计合理，安装拆卸方便，加工制造成本低，利用该模具能完成复合材料散热基板一次性近终成型，浸渗效果均匀充分，后续机加工少，易于实现规模化工业生产。

Description

一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具及成型方法

技术领域

本发明属于复合材料散热基板制造技术领域，特别涉及到一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具及成型方法。

背景技术

随着集成电路的功率和集成度提高，芯片单位面积的发热量也在不断增大。同时随着大功率模块的发展壮大，散热问题是影响其性能寿命的致命因素之一，因此解决集成电路系统散热问题最有效的方法是采用一种低热膨胀系数，高导热系数，质量轻的新型电子封装材料。新型电子封装材料主要是复合材料类，特别例如金属基复合材料中最受关注的包括碳化硅铝、金刚石铝、金刚石铜、石墨铝、石墨铜等，其中碳化硅铝又具有成本低、后续加工简单等明显优点。

中国专利CN205282468U公布了一种散热基板的结构形状，散热基板由底板本体及N个散热柱构成，但并未提供该结构形状散热基板的加工制造方法。专利CN103700636A也公布了一种类似结构形状的散热基板并提出了其制造方法，但散热基板全部由金属材料制成，并未提供复合材料散热基板加工制造方法。这些均不能提供一种复合材料散热基板来有效解决大规模集成电路系统及高功率密度器件散热问题。

发明内容

为此，本发明人设计了一种复合材料散热基板结构，底板采用复合材料，散热柱采用金属材料，并针对该结构开发了一种一次性近终成形方法。整个工艺环节中，成型模具设计是其中一项关键技术，包括模具材质选择、配合间隙设计、脱模结构设计、排气间隙设计、模具使用寿命等。

针对上述问题，本发明提供一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具，该模具具有结构设计合理、安装拆卸方便、使用寿命长、制造成本低，易于实现规模化工业生产等特点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具，包括相互配合的上模和下模，其中上模包括上模固定板、上模芯、排气垫板和顶料板，上模固定板与上模芯之间设置排气垫板，上模固定板与排气垫板之间或上模芯与排气垫板之间均为固定连接，顶料板设置于上模固定板上方，顶料板上设置顶料柱，上模固定板、排气垫板和上模芯上均设置与顶料柱匹配的圆孔；下模包括下模固定板和下模腔，下模固定板和下模腔两者之间为固定连接，其中下模腔设置浇料通道。

上模固定板上部通过模具压板固定到真空油压机上模平台上，下部通过螺栓与排气垫板连接固定，中心部位设置与顶料柱配合的圆孔，使顶料柱能够穿过，在顶料板向下移动顶出成型件的同时起到导向作用。

排气垫板上部通过螺栓与上模固定板进行连接固定，下部通过螺栓与上模芯进行连接固定，形成排气槽，中心部位设置与顶料柱匹配的圆孔，用于顶料板上的顶料柱穿过。

上模芯下部设置多个(N≥300)锥度孔，用于成型散热基板的散热柱，中心部位设置与顶料柱匹配的圆孔，上下模具闭合成型时，与顶料板的顶料柱进行密封配合，上模芯上部设置排气孔，通过螺栓与排气垫板进行连接固定，上模芯与排气垫板之间形成排气槽，宽度为0.1-1mm，保证成型过程中散热柱充型完整。上下模具闭合成型时，上模芯与下模腔保持间隙配合，以保持压力使熔融金属均匀充分地浸渗到预制体中。

顶料板由4根顶料柱和固定板构成，其中固定板上部与真空油压机顶料平台进行连接，4根顶料柱固定连接在固定板下部。

下模固定板下部通过模具压板固定到真空油压机下模平台上，上部通过螺栓与下模腔进行连接固定。

下模腔下部通过螺栓与下模固定板进行连接固定，其中下模腔一侧设置浇料通道。上模芯与下模腔的尺寸相互匹配，形成零间隙配合。上下模具闭合前，先将预制体放到下模腔中，熔融金属通过浇料通道流入下模腔中。

上、下模具闭合时，上模芯与下模腔的配合间隙为零；上模芯上的4个孔与顶料板的四根顶料柱配合间隙为零。

上模固定板、排气垫板、顶料板、下模固定板和下模腔均采用热作模具钢制成，上模芯采用热作模具钢或高强石墨制成。

成型完成后，上下模具分开后，顶料板向下移动顶出成型件的过程中，固定板与上模固定板中心孔进行配合起到导向作用。上模向上移动的同时顶料板向下移动，可将成型件由上模芯完全顶出。

本发明还提供了一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型方法，采用上述模具，预制体放置到下模腔中，下模腔中注入熔融金属，上模芯压入下模腔中并保压一段时间，预制体完成金属浸渗，同时成型出多个(N≥300)与底板为一体的散热柱，完成复合材料散热基板近终成型。

一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型方法，包括如下步骤：整套模具与真空油压机安装调试完成后，在上模芯外表面与下模腔内表面喷涂脱模剂，再将预制体放置于下模腔中，模具与预制体进行充分预热达到温度设定值，熔融金属通过浇料通道流入下模腔中，浇料完成后，上模快速下降到位，与下模腔形成零间隙配合，比压达到设定值并保压一段时间，使熔融金属均匀充分地浸渗到预制体内，同时熔融金属向上模芯反充，气体通过排气槽充分排除，成型出散热基板的多个(N≥300)散热柱，成型完成后，上模向上移动，成型件与上模连在一起由下模腔内脱出，同时顶料板向下移动，将成型件多个(N≥300)散热柱由上模芯完全顶出，完成单件复合材料散热基板一次性近终成型。

其中，所述的预制体包括碳化硅、金刚石和石墨等，金属材料包括铝及其合金、铜及其合金等。所述的预制体与金属(熔融金属)的体积比为50-80％。

其中，模具与预制体的预热温度为500-900℃。比压的范围为50-100MPa，保压时间为15-25min。

成型模具放置到真空压力浸渗炉中，即整个成型过程是在真空压力浸渗炉中完成。

本发明的优点是：

1、模具结构设计合理，安装拆卸方便，加工制造成本低。

2、复合材料散热基板一次性近终成型，浸渗效果均匀充分，散热柱充型密实无气孔缺陷，后续机加工成本低。

3、浇料、脱模剂喷涂、成型、脱模每个工艺流程均容易实现自动化操作，易于实现规模化工业生产。

4、复合材料散热基板热膨胀系数低、导热系数高、质量轻，能有效解决大规模集成电路、高功率密度器件的散热问题。

5、采用本发明的模具和方法，加工制造工艺流程短、一次性近终成形、后续机加工量少、加工成本低、易于实现规模化生产。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明整体结构剖面示意图。

主要附图标记说明：

1 上模固定板 2 排气垫板

3 上模芯 4 顶料板

5 下模腔 6 下模固定板

7 浇料通道 8 排气槽

具体的实施方式

下面结合所有附图对本发明作进一步说明。

本发明较佳的实施例为：如图1、图2所示本实施例的复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具，包括相互配合的上模和下模，其中上模包括有上模固定板1、上模芯3、排气垫板2、顶料板4，下模包括有下模固定板6、下模腔5，其中下模腔5开设浇料通道7。顶料板4位于上模固定板1上方，上模固定板1与上模芯3之间设置排气垫板2，上模固定板1与排气垫板2之间及排气垫板2与上模芯3之间均为固定连接。

上模芯3采用高强石墨加工成形，上模芯3下面加工出N个锥度孔，用于成型散热基板的N个散热柱，再加工4个圆孔，上下模具闭合成型时，与顶料板4四根顶料柱进行零间隙配合，上面加工排气孔，由螺栓与排气垫板2进行连接固定，与排气垫板2下面形成宽为1mm的排气槽8，保证成型过程中气体顺利排出，散热柱充型完整无气孔缺陷。同时上下模具闭合成型时，上模芯3与下模腔5保持零间隙配合。上模芯3上的4个孔与顶料板4的四根顶料柱配合间隙为零。发明人经过大量实验发现，如果上模芯3在下，会出现导热柱成形不全等问题。

排气垫板2采用H13钢加工成形，排气垫板2上面由螺栓与上模固定板1进行连接固定，下面由螺栓与上模芯3进行连接固定，形成排气槽8，再加工出4个圆孔，用于顶料板4四根顶料柱穿过。

上模固定板采用热作模具钢机加工成形，上模固定板上面由4块模具压板固定到真空油压机上模平台上，下面由螺栓与排气垫板2进行连接，中心部位加工孔与顶料板4进行配合，在顶料板4向下移动顶出成型件的同时起到导向作用。

顶料板4采用H13钢加工成形，由四根顶料柱和固定板构成，其中固定板上面与真空油压机顶料平台进行连接，四根顶料柱与固定板下面连接。成型完成后，上下模具分开，顶料板4向下移动顶出成型件的过程中，固定板与上模固定板1中心孔进行配合起到导向作用。

下模固定板6采用H13钢机加工成形，下模固定板6下面由4块模具压板固定到真空油压机下模平台上，上面由螺栓与下模腔5进行连接固定。

下模腔5采用H13钢加工成形，下模腔5下面由螺栓与下模固定板6进行连接固定，其中一侧开设浇料通道7，上下模具闭合前，先将碳化硅预制体放到下模腔5中，熔融纯铝通过浇料通道7流入下模腔5中，闭合后，下模腔5与上模芯3保持零间隙配合。

整套模具与真空油压机安装调试完成后，上模芯3外表面与下模腔5内表面喷涂油基石墨脱模剂，再将碳化硅预制体放置于下模腔5中，模具与预制体进行充分预热达到600℃，熔融纯铝通过浇料通道7流入下模腔5中，浇料完成后，上模快速下降到位，与下模腔5形成零间隙配合，比压达到50MP并保压20分钟，使熔融纯铝均匀充分地浸渗到预制体内，同时熔融纯铝向上模芯3反充，气体通过排气槽8充分排除，上模芯3成型出散热基板的N个散热柱，成型完成后，上模向上移动，碳化硅铝散热基板与上模连在一起由下模腔5内脱出，同时顶料板4向下移动，将碳化硅散热基板N个散热柱由上模芯3完全顶出，完成单件碳化硅铝散热基板一次性近终成型，利用该模具成型的碳化硅铝散热基板膨胀系数低、导热系数高、质量轻，后续机加工少，能有效解决大规模集成电路或高功率密度器件的散热问题。

由此可见，本发明模具结构设计合理，安装拆卸方便，加工制造成本低，利用该模具能完成复合材料散热基板一次性近终成型，浸渗效果均匀充分，后续机加工少，每个工艺流程均容易实现自动化操作，易于实现规模化工业生产。

Claims (6)

1.一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具，其特征在于：包括相互配合的上模和下模，所述的上模包括上模固定板、上模芯、排气垫板和顶料板，所述的上模固定板与上模芯之间设置排气垫板，所述的上模固定板与排气垫板之间或上模芯与排气垫板之间为固定连接，所述的顶料板设置于上模固定板上方，所述的顶料板上设置顶料柱，所述的上模固定板、排气垫板和上模芯上均设置与顶料柱匹配的圆孔；所述的下模包括下模固定板和下模腔，所述的下模固定板和下模腔之间为固定连接，所述的下模腔设置浇料通道；所述的上模固定板上部通过模具压板固定到真空油压机上模平台上，下部通过螺栓与排气垫板连接，中心部位设置与顶料柱配合的圆孔；所述的排气垫板上部通过螺栓与上模固定板连接，下部通过螺栓与上模芯连接，中心部位设置与顶料柱匹配的圆孔；所述的上模芯下部设置多个锥度孔，中心部位设置与顶料柱匹配的圆孔，上模芯上部设置排气孔，通过螺栓与排气垫板连接；所述的上模芯与排气垫板之间形成排气槽，宽度为0.1-1mm。

2.根据权利要求1所述的复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具，其特征在于：所述的顶料板由4根顶料柱和固定板构成，所述的固定板上部与真空油压机顶料平台连接，4根顶料柱固定连接在固定板下部；所述的下模固定板下部通过模具压板固定到真空油压机下模平台上，上部通过螺栓与下模腔连接；所述的下模腔下部通过螺栓与下模固定板连接，所述的下模腔一侧设置浇料通道。

3.根据权利要求1所述的复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具，其特征在于：上、下模具闭合时，上模芯与下模腔的配合间隙为零；上模芯上的4个孔与顶料板的四根顶料柱配合间隙为零；所述的上模固定板、排气垫板、顶料板、下模固定板和下模腔均采用热作模具钢制成，上模芯采用热作模具钢或高强石墨制成。

4.一种复合材料散热基板真空压力浸渗成型方法，包括如下步骤：采用如权利要求1所述的复合材料散热基板真空压力浸渗成型模具，在上模芯外表面与下模腔内表面喷涂脱模剂，再将预制体放置于下模腔中，模具与预制体进行预热达到温度设定值，熔融金属通过浇料通道流入下模腔中，浇料完成后，上模快速下降到位，与下模腔形成零间隙配合，比压达到设定值并保压，使熔融金属均匀充分地浸渗到预制体内，同时熔融金属向上模芯反充，气体通过排气槽充分排除，成型出散热基板的多个散热柱，成型完成后，上模向上移动，成型件与上模连在一起由下模腔内脱出，同时顶料板向下移动，将成型件多个散热柱由上模芯完全顶出，完成单件复合材料散热基板一次性近终成型。

5.根据权利要求4所述的复合材料散热基板真空压力浸渗成型方法，其特征在于：所述的预制体包括碳化硅、金刚石和石墨，金属包括铝及其合金、铜及其合金；所述的预制体与金属的体积比为50-80％。

6.根据权利要求4所述的复合材料散热基板真空压力浸渗成型方法，其特征在于：所述的模具与预制体的预热温度为500-900℃；比压为50-100MPa，保压时间为15-25min。