CN110453103A - 铝碳化硅材料制备方法、铝碳化硅材料、电子封装及模具 - Google Patents

铝碳化硅材料制备方法、铝碳化硅材料、电子封装及模具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铝碳化硅材料技术领域。为解决浸渗法制得的铝碳化硅材料在温度变化时容易发生弯曲变形、工艺繁琐、生产成本高的问题，公开了一种铝碳化硅材料制备方法、铝碳化硅材料、电子封装及模具。其中，铝碳化硅材料制备方法的一种方案包括制备固液混合物，固液混合物至少包含有Al熔体与固态的SiC材料；通过底部具有固液分离通道的容器容置固液混合物，并对固液混合物施加振动，Al熔体朝底部流动且部分Al熔体从固液分离通道中渗走，SiC材料基于振动与Al熔体的流动加速沉降；对剩余的固液混合物进行固化。本方案的制备方法能够减少或者消除铝碳化硅材料因温度变化产生的弯曲变形，延长铝碳化硅材料的使用寿命，同时生产工艺更为简单，成本更为低廉。

Description

铝碳化硅材料制备方法、铝碳化硅材料、电子封装及模具
技术领域
本发明涉及铝碳化硅材料技术领域，尤其是涉及铝碳化硅材料的制备方法，应用该制备方法制得的铝碳化硅材料，应用该铝碳化硅材料的电子封装，以及实施该制备方法的模具。
背景技术
SiCp/Al材料(铝基碳化硅复合材料)广泛应用于制备IGBT模块等半导体器件的电子封装的散热基板，此种散热基板要求与IGBT模块的接触部位(即表面)具有较高的SiC含量，以使得散热基板与IGBT模块具有相匹配的膨胀系数。目前多数采用浸渗法制备SiCp/Al散热基板，即先制备SiC骨架，然后使铝合金熔体从SiC骨架的表面渗入，然而浸渗法存在缺陷：浸渗法制备的散热基板的表面为铝合金，内部为SiCp/Al材料。当散热基板的温度发生变化时，两种具有不同热膨胀系数的材料以不同的速率变形，从而会产生热致机械应力，导致散热基板的整体弯曲，影响模块的稳定工作，同时也会缩短模块的使用寿命。此外，浸渗法需要制备SiC骨架，工艺繁琐，生产成本高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的是提供一种铝碳化硅材料制备方法，其相比于浸渗法属于净成型工艺，制得的铝碳化硅材料的表面未包覆铝合金层，因此能够减少或者消除铝碳化硅材料因温度变化而产生的弯曲变形，延长铝碳化硅材料的使用寿命，同时生产工艺更为简单，成本更为低廉。
本发明的第二个目的是提供一种铝碳化硅材料，相比于浸渗法制得的铝碳化硅材料，表面未包覆铝合金层，因此能够减少或者消除铝碳化硅材料因温度变化而产生的弯曲变形，延长铝碳化硅材料的使用寿命，同时生产工艺更为简单，成本更为低廉。
本发明的第三个目的是提供一种电子封装，能够减少或者消除散热基板因温度变化而产生的弯曲变形，延长电子封装的使用寿命。
本发明的第四个目的是提供一种模具，用于实施第一个目的中的铝碳化硅材料制备方法。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种铝碳化硅材料制备方法，包括以下步骤：
制备固液混合物，所述固液混合物至少包含有Al熔体与固态的SiC材料；
通过底部具有固液分离通道的容器容置所述固液混合物，并对所述固液混合物施加振动，所述Al熔体朝所述底部流动且部分所述Al熔体从所述固液分离通道中渗走，所述SiC材料基于振动与所述Al熔体的流动加速沉降；
对剩余的所述固液混合物进行固化。
进一步地，制备固液混合物的方法为：首先通过SiC材料与Al基体材料制备初级SiCp/Al材料；然后在高于所述Al基体材料的固相线温度，并低于所述SiC材料的固相线温度的温度区间内对所述初级SiCp/Al材料进行重熔。
进一步地，还包括对容置在所述容器中的所述固液混合物进行施压的步骤。
更进一步地，施压的方法为：设置与所述容器的内壁密封连接的活塞，并使所述活塞相对所述容器朝所述固液混合物的方向运动。
更进一步地，施压的方法为：向所述容器内施加惰性压力气体。
更进一步地，所施加的压力范围为10MPa-100MPa。
进一步地，所施加的振动的频率为5HZ-40HZ，振幅为0.1mm-5mm，振动时间为1min-10min。
第二方面，提供一种由所述铝碳化硅材料制备方法制得的铝碳化硅材料，沿所述SiC材料的沉降方向，所述铝碳化硅材料中各区域的所述SiC材料含量依次增加。
进一步地，沿所述SiC材料的沉降方向，所述铝碳化硅材料中各区域的所述SiC材料的体积份数由10％增加至85％。
第三方面，提供一种电子封装，包括散热基板，所述散热基板的材料为所述铝碳化硅材料。
第四方面，提供一种实施所述铝碳化硅材料制备方法的铝碳化硅材料制备模具，包括上模组件与下模组件，所述上模组件与所述下模组件连接以围绕形成腔体，且所述上模组件与所述下模组件之间能够相对运动以调整所述腔体的体积，所述所述下模组件上设有连通所述腔体与外部的固液分离通道。
本发明的有益效果：
本发明的一个方案中，通过将混合有Al熔体与固态的SiC材料的固液混合物置于底部具有固液分离通道的容器中，Al熔体的定向流动以及振动实现SiC在SiCp/Al材料中的局部富集，制得的铝碳化硅材料的表面未包覆铝合金层，因此能够减少或者消除铝碳化硅材料因温度变化而产生的弯曲变形，延长铝碳化硅材料的使用寿命，同时生产工艺更为简单，成本更为低廉。
附图说明
图1是本发明制备方法第一个实施例的流程示意图；
图2是本发明制备模具一个实施例的剖面示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明的较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，从而能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接在另一个特征上。
在本发明的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个或者多个，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
此外，除非另有定义，本发明所使用的技术术语和科学术语均与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。
第一实施例
参照图1，示出了本发明制备方法第一个实施例的流程示意图，如图所示，制备方法包括以下步骤：
第一步
制备固液混合物，固液混合物中包括固态的SiC颗粒以及Al熔体。固液混合物的制备方法是对铝单质或者铝合金进行加热形成Al熔体，然后将SiC粉末投入Al熔体中进行搅拌，搅拌得到固液混合物中SiC的含量偏低，但是较为均匀的分布在Al熔体之中。如果铝合金选用具有半固化区间的合金，并在高于该铝合金的固相线，并低于液相线的温度区间加热，则固液混合物中还会存在初生相。
第二步
准备可耐高温的容器，容器选用公知的耐热材料制成，本实施例对此不做详述。容器的底部设置有固液分离通道，固液分离通道可以是连通外部的孔或者槽。将固液混合物置入容器内部，并对容器或者固液混合物施加振动，使得部分Al熔体从固液分离通道中渗出，在此过程中Al熔体朝容器的底部流动，从而带动混杂在熔体内部的SiC颗粒向底部移动，此外，SiC颗粒在重力以及振动的作用下也会自发的朝容器底部移动，最终实现SiC在容器底部的富集，且由于熔体始终都是单向流动，因此SiC的含量沿熔体的流动方向逐渐增加，从而实现SiC含量的梯度分布，如此，相比于公知的浸渗法，本实施例的Al基体和SiC颗粒相互混杂，表面不存在铝合金层，因此也不会温度发生变化时，因为两种材料的热膨胀系数不同而导致SiCp/Al材料的整体弯曲，同时无需预先制备SiC骨架，工艺得到简化，生产效率得到提升。相比于公知的铸造法，铸造法无法实现SiC的梯度分布，整体都是高体积分数SiC含量的SiCp/Al材料制作极为困难，而实际需求时又只需一侧具有匹配的热膨胀系数即可，本实施例可以实现SiC在SiCp/Al材料局部区域(单侧表面)的富集，满足SiCp/Al材料与IGBT模块具有相匹配的膨胀系数的需求，同时生产难度可以得到极大地降低。
本实施例中，固液分离通道的直径或者宽度的范围为0.5mm-5mm，由于SiC颗粒的表面为粗糙表面，互相之间具有一定的摩擦力，可以互相搭接形成网格，在SiC颗粒含量越大的微区(也即越靠近底部的区域)，搭接的几率越高，搭接所形成网格又能够阻挡后续SiC颗粒的移动，因此，即使固液分离通道的直径或者宽度超过SiC颗粒的粒径，SiC颗粒之间阻挡、搭接形成空间网格结构也能够阻挡后续SiC颗粒的移动，从而使得仅有熔体能在网格间流动、渗透，最终达到固液分离的目的。
本实施例中，所施加振动的频率为5HZ-40HZ，振幅为1mm-5mm，振动时间为1min-10min。通过改变相应的振动参数，可以使得SiC按照预先设计的不同浓度梯度分布在SiCp/Al材料中。
本实施例中，所称的“梯度分布”既可以是连续的分布，也可以是断续的，只需整体保证SiC含量沿熔体流动方向逐步增加的趋势即可。
本实施例中，沿Al熔体的流动方向，SiCp/Al材料中的SiC材料的体积份数由为10％增加至85％。
本实施例中，振动可以在固液混合物加入容器之前、之中或者之后施加。
第三步
对剩余的固液混合物进行固化，以制得SiCp/Al材料。
第二实施例
本实施例是本发明制备方法的第二个实施例，本实施例与第一实施例的区别包括：将SiC粉末投入Al熔体并进行搅拌后，需要先对混合熔体进行固化以得到初级SiCp/Al材料，然后对初级SiCp/Al材料进行重熔，重熔温度高于Al基体材料的固相线温度，并低于所述SiC材料的固相线温度，温度区间可为565℃-720℃。本实施例设置有中间的固化与重熔环节，便于测试生产过程中的相关参数。
第三实施例
本实施例是本发明制备方法的第三个实施例，本实施例与第一实施例的区别包括：当固液混合物置于容器内后，通过与容器密封接触的活塞对固液混合物施加压力，从而加速铝熔体的流动，进而加速SiC的富集，所施加的压力范围为10MPa-100MPa。
第四实施例
本实施例是本发明制备方法的第四个实施例，本实施例与第一实施例的区别包括：当固液混合物置于容器内后，向容器内施加惰性压力气体，通过压力气体加速铝熔体的流动，进而加速SiC的富集，所施加的压力范围为10MPa-100MPa。
第五实施例
本实施例是本发明制备方法的第五个实施例，本实施例与第一实施例的区别在于选定了具体的实施参数。
选用原料为：粒径为50μm-100μm的SiC颗粒，以及A356合金。SiC颗粒与A356合金的质量比为30:70。
具体步骤为：将23.75kg的A356合金在放入铸造坩埚中，升温至720℃并保温60Min，待合金完全熔化后扒渣精炼除杂，通入氩气。然后将温度降至590℃，将10.75kgSiC粉逐次加入，加入过程中以100-400r/min的速率搅拌，搅拌时间为40Min。搅拌均匀后升温至700℃浇注至模具内，制成SiCp/Al铸锭。
从铸锭中切割出圆柱形坯料并放置在模具内，模具的固液分离通道的孔径为3mm，将模具放置在加热炉内，坯料随模具加热至650℃。保持该温度并施加频率为25HZ、振幅为2mm的振动，振动时间为3Min。随后在30Mpa的压力作用下进行挤压以挤出一定量的熔体，挤压时间为5秒，熔体通过固液分离通道流出，剩余坯料在压力下凝固，保压2Min。
上述步骤可制得SiC颗粒的体积份数为25-60％的SiCp/Al材料，材料的热导率在209W/m·K，热膨胀系数为7.1×10-6/K。
第六实施例
本实施例是本发明制备方法的第五个实施例，本实施例与第一实施例的区别在于选定了具体的实施参数。
选用原料为：粒径为10μm-50μm的SiC颗粒，以及A356合金。SiC颗粒与A356合金的质量比为30:70。
具体步骤为：将23.75kg的A356合金在放入铸造坩埚中，升温至720℃并保温60Min，待合金完全熔化后扒渣精炼除杂，通入氩气。然后将温度降至590℃，将10.75kgSiC粉逐次加入，加入过程中以100-400r/min的速率搅拌，搅拌时间为20Min。搅拌均匀后升温至700℃浇注至模具内，制成SiCp/Al铸锭。
从铸锭中切割出圆柱形坯料并放置在模具内，模具的固液分离通道的孔径为2mm，将模具放置在加热炉内，坯料随模具加热至650℃。保持该温度并施加频率为25HZ、振幅为3mm的振动，振动时间为3Min。随后在30Mpa的压力作用下进行挤压以挤出一定量的熔体，挤压时间为5秒，熔体通过固液分离通道流出，剩余坯料在压力下凝固，保压2Min。
上述步骤可制得SiC颗粒的体积份数为25-61％的SiCp/Al材料，材料的热导率在202W/m·K，热膨胀系数为7.5×10-6/K。
本发明的一个实施例还公开了基于上述制备方法制备的铝碳化硅材料，铝碳化硅材料中SiC的体积份数沿Al熔体的流动方向依次增加，并最终在铝碳化硅材料的单侧表面达到最大值，具体的，铝碳化硅材料中的SiC材料的体积份数由10％增加至85％。
本发明的一个实施例还公开了应用电子封装，电子封装包括散热基板，散热基板由上述铝碳化硅材料制成。
本发明的一个实施例还公开了实施上述铝碳化硅材料制备方法的制备模具，参照图2，示出了本实施例中制备模具的剖视图，如图所示，制备模具包括上模组件与下模组件，上模组件包括上模1、套筒2与石墨垫3，套筒2的上下两端均具有开口，上模1的底部插接套筒2的上端，并通过螺纹紧固件进行锁紧，上模1插入至套筒2的端部连接有石墨垫3。下模组件包括下模4、石墨滤网5与支撑件6，下模4的上端插接在套筒2的下端，并与套筒2的内壁密封连接，上模1、套筒2与下模4围绕形成用于容置固液混合物的腔体101，下模4可相对套筒2向上运动，从而对腔体101内的固液混合物进行压缩。下模4插入至套筒2的端部通过支撑件6连接有石墨滤网5，支撑件6上设有连通外部的流道61，石墨滤网5上设有连通腔体101的滤孔(未示出)，滤孔同时与流道61连通，共同形成固液分离通道。
在制备模具的另一实施例中，可以是下模4与套筒2固定连接，上模1相对套筒2向下运动进行压缩。
在制备模具的另一实施例中，上模1与套筒2一体成型，下模4、石墨滤网5与支撑件6一体成型。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.铝碳化硅材料制备方法，包括以下步骤：
制备固液混合物，所述固液混合物至少包含有Al熔体与固态的SiC材料；
通过底部具有固液分离通道的容器容置所述固液混合物，并对所述固液混合物施加振动，所述Al熔体朝所述底部流动且部分所述Al熔体从所述固液分离通道中渗走，所述SiC材料基于振动与所述Al熔体的流动加速沉降；
对剩余的所述固液混合物进行固化。
2.根据权利要求1所述的铝碳化硅材料制备方法，其特征在于，制备固液混合物的方法为：首先通过SiC材料与Al基体材料制备初级SiCp/Al材料；然后在高于所述Al基体材料的固相线温度，并低于所述SiC材料的固相线温度的温度区间内对所述初级SiCp/Al材料进行重熔。
3.根据权利要求1所述的铝碳化硅材料制备方法，其特征在于，还包括对容置在所述容器中的所述固液混合物进行施压的步骤。
4.根据权利要求3所述的铝碳化硅材料制备方法，其特征在于，施压的方法为：设置与所述容器的内壁密封连接的活塞，并使所述活塞相对所述容器朝所述固液混合物的方向运动；
或者，向所述容器内施加惰性压力气体。
5.根据权利要求3所述的铝碳化硅材料制备方法，其特征在于，所施加的压力范围为10MPa-100MPa。
6.根据权利要求1所述的铝碳化硅材料制备方法，其特征在于，所施加的振动的频率为5HZ-40HZ，振幅为0.1mm-5mm，振动时间为1min-10min。
7.铝碳化硅材料，其特征在于，由权利要求1至6中任一项所述的铝碳化硅材料制备方法制得，沿所述SiC材料的沉降方向，所述铝碳化硅材料中各区域的所述SiC材料含量依次增加。
8.根据权利要求7所述的铝碳化硅材料，其特征在于，沿所述SiC材料的沉降方向，所述铝碳化硅材料中各区域的所述SiC材料的体积份数由10％增加至85％。
9.电子封装，其特征在于，包括散热基板，所述散热基板的材料为权利要求7或8所述的铝碳化硅材料。
10.实施权利要求1至6中任一项所述的铝碳化硅材料制备方法的铝碳化硅材料制备模具，其特征在于，包括上模组件与下模组件，所述上模组件与所述下模组件连接以围绕形成腔体，且所述上模组件与所述下模组件之间能够相对运动以调整所述腔体的体积，所述下模组件上设有连通所述腔体与外部的固液分离通道。
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