CN109320255A - 芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法 - Google Patents

芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，包括以下步骤：S1，将氮化铝粉末与烧结助剂在易挥发有机溶剂中进行球磨混合后与粘结剂进行混炼，然后冷却后取出喂料；S2，将喂料破碎后，利用注射成形成形，注射温度为150～200℃，得氮化铝生坯散热翅片；S3，根据选用粘结剂的不同，采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂，得到脱脂氮化铝坯体散热翅片；S4，在流动惰性气体氛围下，将脱脂氮化铝坯体散热翅片烧结冷却至室温，得到注射成形氮化铝陶瓷散热翅片；S5，直接将所述氮化铝陶瓷散热翅片的背面进行金属化，并将金属层刻蚀导电线路，最后将所述将芯片直接焊接封装在氮化铝陶瓷散热器背面。

Description

芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。其属于高功率的功率半导体器件。通常将IGBT芯片封接在表面覆铜陶瓷基板上，在基板底部涂上硅树脂，与底部的金属散热器进行贴合，以达到散热与绝缘的目的，由于硅树脂热导率较低，造成整体散热性能不佳，造成芯片温度较高。
氮化铝具有高的热导率，其理论值约为320W/m.K，接近BeO和SiC，是Al2O3陶瓷的5倍以上，低的介电常数与介质损耗，体积电阻率高，介电强度优良，其机械性能好，抗弯强度远高于BeO陶瓷，且具有无毒等特点。使其作为理想的大规模集成电路的散热基板和封装材料。
由于陶瓷材料本身固有的脆性和一些特殊陶瓷材料的高硬度，如采用传统粉末冶金工艺，即先将粉末压制成形，再进行机械加工的方法，成本高且难以制备体积微小，形状复杂，尺寸精度高的陶瓷零部件。
发明内容
本发明提供了一种芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，包括以下步骤：
S1，将氮化铝粉末与烧结助剂在易挥发有机溶剂中进行球磨混合，经干燥后获得混合粉末；将所述混合粉末与粘结剂进行混炼，混炼温度为160～190℃，待所述混合粉末形成熔融态后，继续混炼0.5～2h，然后冷却后取出喂料，其中，粘结剂与混合粉末的重量比例为17～19：100；
S2，将喂料破碎后，利用注射成形成形，注射温度为150～200℃，得氮化铝生坯散热翅片；
S3，根据选用粘结剂的不同，采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂，得到脱脂氮化铝坯体散热翅片；
S4，在流动惰性气体氛围下，将脱脂氮化铝坯体散热翅片升温到1450℃～1750℃保温1～5h，然后升至烧结温度1800℃～1960℃保温1～5h，再降温到1700～1780℃保温10～100h，冷却至室温，得到注射成形氮化铝陶瓷散热翅片；
S5，直接将所述氮化铝陶瓷散热翅片的背面进行金属化，并将金属层刻蚀导电线路，最后将所述将芯片直接焊接封装在氮化铝陶瓷散热器背面。
作为进一步改进的，所述烧结助剂为氧化钇或氧化铈、氧化钐中的一种或几种，且所述氮化铝粉末与所述烧结助剂按100：2～7的质量比混合。
作为进一步改进的，在步骤S3中，所述粘结剂采用质量份数为50～70份的石蜡、10～20份的高密度聚乙烯，10～20份的聚丙烯，3～10份的硬脂酸3％～10％，所述采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂的步骤包括：
S31，将所述氮化铝生坯散热翅片浸泡于煤油、汽油、三氯乙烯中的一种或多种溶剂中，温度为30～40℃，溶剂脱脂除掉大部分石蜡后，留下孔道，滨烘干；
S32,升温到600～700℃将残余粘结剂通过加热分解方式去除。
作为进一步改进的，在步骤S3中，所述粘结剂采用质量份数为80～92份的聚甲醛、2％～10份的聚乙烯，2～15份的乙烯-醋酸乙烯共聚物，4～10份的硬脂酸，所述采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂的步骤包括：
S33，将所述氮化铝生坯散热翅片在硝酸或草酸蒸汽催化作用下，温度为90～150℃下，处理。
作为进一步改进的，在步骤S4中，流动惰性气体氛围为氮气，且其流量为1～10L/min。
作为进一步改进的，在步骤S4中，将脱脂氮化铝坯体散热翅片升温到1550℃～1650℃保温1～5h，然后升至烧结温度1820℃～1850℃保温1～5h。
本发明的有益效果是：采用一体化陶瓷散热器结构，可解决散热与绝缘问题，直接采用高导热陶瓷作为散热器，将散热器平面进行金属化后，制作出电路，散热器另一面成翅片状散热结构，将芯片封装在散热器平面上，无需使用导热硅脂作为绝缘散热材料，大大提高了器件的散热能力，降低芯片温度，提高器件性能与可靠性。另外，采用注射成形技术,由于坯体的成形形状接近制品的最终形状,因此可以制备体积微小，形状复杂，尺寸精度高的陶瓷零部件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1所示，一种芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，包括以下步骤：
S1，将氮化铝粉末与烧结助剂在易挥发有机溶剂中进行球磨混合，经干燥后获得混合粉末；将所述混合粉末与粘结剂进行混炼，混炼温度为160～190℃，待所述混合粉末形成熔融态后，继续混炼0.5～2h，然后冷却后取出喂料，其中，粘结剂与混合粉末的重量比例为17～19：100；
S2，将喂料破碎后，利用注射成形成形，注射温度为150～200℃，得氮化铝生坯散热翅片；
S3，根据选用粘结剂的不同，采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂，得到脱脂氮化铝坯体散热翅片；
S4，在流动惰性气体氛围下，将脱脂氮化铝坯体散热翅片升温到1450℃～1750℃保温1～5h，然后升至烧结温度1800℃～1960℃保温1～5h，再降温到1700～1780℃保温10～100h，冷却至室温，得到注射成形氮化铝陶瓷散热翅片；
S5，直接将所述氮化铝陶瓷散热翅片的背面进行金属化，并将金属层刻蚀导电线路，最后将所述将芯片直接焊接封装在氮化铝陶瓷散热器背面。
在步骤S1中，所述烧结助剂为氧化钇或氧化铈、氧化钐中的一种或几种。所述易挥发有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇等醇类溶剂。所述氮化铝粉末与所述烧结助剂优选按100：2～7的质量比混合。
在步骤S3中，在其中一个实施例中，所述粘结剂采用质量份数为50～70份的石蜡、10～20份的高密度聚乙烯，10～20份的聚丙烯，3～10份的硬脂酸3％～10％，所述采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂的步骤包括：
S31，将所述氮化铝生坯散热翅片浸泡于煤油、汽油、三氯乙烯中的一种或多种溶剂中，温度为30～40℃，溶剂脱脂除掉大部分石蜡后，留下孔道，滨烘干；
S32,升温到600～700℃将残余粘结剂通过加热分解方式去除。
在另一个实施例中，所述粘结剂采用质量份数为80～92份的聚甲醛、2％～10份的聚乙烯，2～15份的乙烯-醋酸乙烯共聚物，4～10份的硬脂酸，所述采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂的步骤包括：
S33，将所述氮化铝生坯散热翅片在硝酸或草酸蒸汽催化作用下，温度为90～150℃下，处理。
在步骤S4中，流动惰性气体氛围为氮气，且其流量为1～10L/min。
另外，将脱脂氮化铝坯体散热翅片升温到1550℃～1650℃保温1～5h，然后升至烧结温度1820℃～1850℃保温1～5h。
具体实施实例1：
1.原料混合：将1000g AlN粉末与50g Y2O3粉末，称好后放入尼龙内衬的球磨罐中，加入1500ml无水乙醇，以玛瑙球为球磨介质进行球磨24h，取出干燥后得到混合粉末。将干燥后粉末1000g与220g粘结剂放入混炼机中加热搅拌，粘结剂成份为60％石蜡，15％高密度聚乙烯，20％聚丙烯，5％硬脂酸。加热温度为170℃，待喂料呈熔融态后继续混炼1h，待冷却后取出。
2.注射成形：将喂料放入注射机料斗内，注射温度为165℃，注射压力100Mpa，模具温度为50℃，制得注射成形生坯。
3.脱脂烧结：将注射生坯置于三氯乙烯容易中浸泡12h，取出后烘干，将其放入脱脂炉中缓慢加热至600℃，气氛为流动氮气，得到脱脂坯。
4.将脱脂坯置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结制度采用先升温至1600℃，保温1h，再升温至1830℃，保温5h，降温至1750℃，保温40h，随后冷却。
通过此工艺制得的氮化铝陶瓷3.36g/cm3,致密度99.9％，抗弯强度为310Mpa热导率为215W/m.K。
具体实施实例2.
1.原料混合：将1000g AlN粉末与50g Y2O3粉末，称好后放入尼龙内衬的球磨罐中，加入1500ml无水乙醇，以玛瑙球为球磨介质进行球磨24h，取出干燥后得到混合粉末。将干燥后粉末1000g与220g粘结剂放入混炼机中加热搅拌，粘结剂成份为85％聚甲醛，8％高密度聚乙烯，9％乙烯-醋酸乙烯共聚物，8％硬脂酸。加热温度为185℃，待喂料呈熔融态后继续混炼1h，待冷却后取出。
2.注射成形：将喂料放入注射机料斗内，注射温度为190℃，注射压力100Mpa，模具温度为110℃，制得注射成形生坯。
3.脱脂烧结：将注射生坯置于硝酸催化脱脂炉中，温度为100℃，气氛为流动氮气，硝酸蒸汽将聚甲醛进行催化分解，尾气经过高温燃烧处理装置处理后排放，得到脱脂坯。
4.将脱脂坯置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结制度采用先升温至1600℃，保温1h，再升温至1830℃，保温5h，降温至1750℃，保温40h，随后冷却。
通过此工艺制得的氮化铝陶瓷3.36g/cm3,致密度99.9％，抗弯强度为315Mpa热导率为216W/m.K。
具体实施实例3.
1.原料混合：将1000g AlN粉末与50g Y2O3粉末，称好后放入尼龙内衬的球磨罐中，加入1500ml无水乙醇，以玛瑙球为球磨介质进行球磨24h，取出干燥后得到混合粉末。将干燥后粉末1000g与230g粘结剂放入混炼机中加热搅拌，粘结剂成份为90％聚甲醛，3％高密度聚乙烯，3％乙烯-醋酸乙烯共聚物，4％硬脂酸。加热温度为185℃，待喂料呈熔融态后继续混炼1h，待冷却后取出。
2.注射成形：将喂料放入注射机料斗内，注射温度为195℃，注射压力100Mpa，模具温度为110℃，制得注射成形生坯。
3.脱脂烧结：将注射生坯置于硝酸催化脱脂炉中，温度为100℃，气氛为流动氮气，硝酸蒸汽将聚甲醛进行催化分解，尾气经过高温燃烧处理装置处理后排放，得到脱脂坯。
4.将脱脂坯置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结制度采用先升温至1600℃，保温1h，再升温至1830℃，保温5h，降温至1750℃，保温40h，随后冷却。
通过此工艺制得的氮化铝陶瓷3.35g/cm3,致密度99.9％，抗弯强度为340Mpa热导率为210W/m.K。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将氮化铝粉末与烧结助剂在易挥发有机溶剂中进行球磨混合，经干燥后获得混合粉末；将所述混合粉末与粘结剂进行混炼，混炼温度为160～190℃，待所述混合粉末形成熔融态后，继续混炼0.5～2h，然后冷却后取出喂料，其中，粘结剂与混合粉末的重量比例为17～19：100；
S2，将喂料破碎后，利用注射成形成形，注射温度为150～200℃，得氮化铝生坯散热翅片；
S3，根据选用粘结剂的不同，采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂，得到脱脂氮化铝坯体散热翅片；
S4，在流动惰性气体氛围下，将脱脂氮化铝坯体散热翅片升温到1450℃～1750℃保温1～5h，然后升至烧结温度1800℃～1960℃保温1～5h，再降温到1700～1780℃保温10～100h，冷却至室温，得到注射成形氮化铝陶瓷散热翅片；
S5，直接将所述氮化铝陶瓷散热翅片的背面进行金属化，并将金属层刻蚀导电线路，最后将所述将芯片直接焊接封装在氮化铝陶瓷散热器背面。
2.如权利要求1所述的芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂为氧化钇或氧化铈、氧化钐中的一种或几种，且所述氮化铝粉末与所述烧结助剂按100：2～7的质量比混合。
3.如权利要求1所述的芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述粘结剂采用质量份数为50～70份的石蜡、10～20份的高密度聚乙烯，10～20份的聚丙烯，3～10份的硬脂酸3％～10％，所述采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂的步骤包括：
S31，将所述氮化铝生坯散热翅片浸泡于煤油、汽油、三氯乙烯中的一种或多种溶剂中，温度为30～40℃，溶剂脱脂除掉大部分石蜡后，留下孔道，并烘干；
S32,升温到600～700℃将残余粘结剂通过加热分解方式去除。
4.如权利要求1所述的芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述粘结剂采用质量份数为80～92份的聚甲醛、2％～10份的聚乙烯，2～15份的乙烯-醋酸乙烯共聚物，4～10份的硬脂酸，所述采用不同的方式对所述氮化铝生坯散热翅片进行脱脂的步骤包括：
S33，将所述氮化铝生坯散热翅片在硝酸或草酸蒸汽催化作用下，温度为90～150℃下，处理。
5.如权利要求1所述的芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，流动惰性气体氛围为氮气，且其流量为1～10L/min。
6.如权利要求1所述的芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，将脱脂氮化铝坯体散热翅片升温到1550℃～1650℃保温1～5h，然后升至烧结温度1820℃～1850℃保温1～5h。
7.如权利要求1所述的芯片用高导热陶瓷散热器的制备方法，其特征在于，所述芯片为IGBT芯片。
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