CN117161323A - 一种衬板生产用成型模具及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种衬板生产用成型模具及其成型方法，涉及半导体衬板模具技术领域，包括振动台、瓷片插入槽、铝熔腔、传热板。本发明中模具单元对称的铝熔腔开槽深度可控制衬板铝面的厚度，铝液互流通道的开设，保证衬板铝面高度一致；传热片与带鳍片壳体确保成型模组升温冷却过程无热集中区，模组间相互无热影响；采用衬板成型模组与振动烧结方法相配合，在铝熔液敷接钎焊与冷却成型过程中，降低铝溶液粘度，均匀流动填充间隙，实现铝熔液与氮化铝瓷片之间紧密敷接，铝面致密度高，成型均匀；衬板成型后合理的研磨参数让其具有良好的直接表面化学镀镍或者镍金的能力，满足封装基板商用要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体衬板模具技术领域，具体为一种衬板生产用成型模具及其成型方法。
背景技术
随着IGBT模块的高功率、大电流、高可靠性的发展需求，DBA衬板(基板)为直接敷铝陶瓷基板，是基于DBC工艺技术发展起来的新型金属敷接陶瓷基板，是铝与陶瓷层键合而成的基板；相比于DBC，DBA具有显著的抗热震性能和热稳定性能，且重量轻、热应力小，对提高在极端温度下工作期间的稳定性十分明显；无钎焊层的DBA衬板逐渐成为研究热点，其具有载流量大，热导率高，界面键合优等特性，是较为符合电子封装需求的衬板。
目前公开相关技术专利如下；
US6183875B1中提出采用一种特殊工装模具，将高温铝液压入模具中，冷却成型，高温铝液具有较好的浸润性，实现良好键合，但是模具设计复杂，冷却过程铝液粘度降低，流动收缩不均，容易产生大量表面缺陷；
CN102756515B中提出采用物理气相沉积的方法蒸镀铝膜再进行钎焊制备氮化铝覆铝陶瓷衬板。该方法设备投入大，且蒸镀层较薄，键合性能难以控制，成本高，效率低，难以形成量产；
CN103508745B中提出采用低熔点轧制金属复合板的工艺制备氮化铝覆铝陶瓷衬板，该方法采用金属复合板为合金板，其电导率较低。
CN109309065A中采用的是特殊模具进行渗铝，完成基板的制备，对熔体质量要求高。铸铝产生的气孔、氧化、夹杂等缺陷，直接影响基板的电导率等重要特征。
采用如上技术中制备的氮化铝覆铝陶瓷衬板工艺控制难，成本过高，难以大批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种衬板生产用成型模具及其成型方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种衬板生产用成型模具及其成型方法，包括振动台和若干个单元模块，所述单元模块设于振动台顶部，所述单元模块包括带鳍壳体和若干个模具模块，所述带鳍壳体顶部开设有与模具模块相匹配的嵌入槽，所述模具模块包括若干个模具单元和传热板，所述传热板设于相邻两个模具单元之间，所述模具单元内部设有瓷片插入槽、铝熔腔，所述铝熔腔设于瓷片插入槽外侧，所述铝熔腔顶部设有同一个入料口，所述入料口内侧顶部设有铝锭，所述铝熔腔底部设有铝液互流通道。
进一步的，所述带鳍壳体顶部设有四个嵌入槽，所述模具模块包括八个模具单元。
进一步的，所述模具单元为石墨材料制成的治具，所述带鳍壳体材质为铜金属，所述传热板为铜金属板，厚度0.2～1mm。
进一步的，所述模具单元表面具有氮化硼涂层，涂层厚度15～20μm，所述模具单元合模总厚度为8mm～10mm。
进一步的，所述模具单元包括凹凸相互配合的左半模与右半模，所述左半模和右半模的腔体开设瓷片插入槽、铝熔腔，两个所述铝熔腔通过铝液互流通道连通。
本发明还提供了一种衬板生产用成型模具的成型方法，采用上述衬板生产用成型模具，包括如下步骤：
衬板生产用成型模具制备：
铝锭清洗备用，模具单元的左半模、右半模合模，将氮化铝瓷片插入瓷片插入槽内部，铝锭投入模具单元的入料口，模具单元间隔传热板组成模具模块，将模具模块嵌入带鳍壳体的嵌入槽内部组成单元模块，将多个单元模块置于振动台上，完成衬板生产用成型模具制备；
衬板生产用成型模具振动烧结：
将步骤的衬板生产用成型模具置于烧结炉中，真空度＜0.01Pa，振动频率50～100Hz，振动幅度0.05mm～0.30mm，温度为680～850℃，升温速率10～20℃/min，保温4～6h，氮气风冷至室温，取出，此时，铝锭熔化敷接在氮化铝瓷片表面，形成衬片，完成衬板生产用成型模具的振动烧结；
表面处理：
将步骤的衬板进行表面研磨、清洗完成衬板的制备。
进一步的，所述步骤中，铝锭为铝含量≥99.9％的高纯铝。
进一步的，所述步骤中，氮化铝瓷片粗糙度为Ra 0.2～0.6μm。
进一步的，所述步骤中，铝锭清洗备用为依次采用15％～20％NaoH水溶液浸泡2～3min，20％～30％硝酸水溶液清洗30～60s，纯水洗，烘干后备用。
进一步的，所述步骤中，研磨砂纸目数为1500～4000目，清洗为温度为40℃～50℃的15％～20％NaoH水溶液浸泡45～60s，纯水洗，烘干，样品处理后表面粗糙度Ra≤0.6μm。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明通过设置振动台、瓷片插入槽、铝熔腔、传热板，模具单元对称的铝熔腔开槽深度可控制衬板铝面的厚度，铝液互流通道的开设，保证衬板铝面高度一致；传热片与带鳍片壳体确保成型模组升温冷却过程无热集中区，模组间相互无热影响；采用衬板成型模组与振动烧结方法相配合，在铝熔液敷接钎焊与冷却成型过程中，降低铝溶液粘度，均匀流动填充间隙，实现铝熔液与氮化铝瓷片之间紧密敷接，铝面致密度高、成型均匀；衬板成型后合理的研磨参数让其具有良好的直接表面化学镀镍或者镍金的能力，满足封装基板商用要求；本发明成型的衬板不产生难以祛除的疏松、晶格、气孔等缺陷，无需进行大功率表面切削，衬板可靠性高；衬板成型模组设有传热板及带鳍壳体，使得成型模组升温、降温过程中的热量快速传递，节约能源的同时操作方便简单利于量产。
2、本发明中衬板生产用成型模具的制备如下，铝锭清洗备用，模具单元的左半模、右半模合模，将氮化铝瓷片插入瓷片插入槽内部，铝锭投入模具单元的入料口，模具单元间隔传热板组成模具模块，将模具模块嵌入带鳍壳体的嵌入槽内部组成单元模块，将多个单元模块置于振动台上，完成衬板生产用成型模具制备。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明整体的结构示意图；
图2是本发明单元模块的结构示意图；
图3是本发明模具模组的结构示意图；
图4是本发明图3的俯视剖面图；
图5是本发明图3的侧视剖面图；
图6是本发明模具单元的结构示意图；
图7是本发明模具单元的内部结构示意图；
图8是实施例1中衬板宏观图；
图9是实施例1中衬板图形宏观图；
图10是对比例1中衬板宏观图；
图中：1、瓷片插入槽；2、铝熔腔；3、入料口；4、铝液互流通道；5、传热板；6、模具单元；7、带鳍壳体；8、模具模块；9、单元模块；10、振动台；11、氮化铝瓷片；12、铝锭。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图7所示的一种衬板生产用成型模具及其成型方法，
具体实施例1
步骤一：DBA衬板成型模组制备
铝锭清洗备用，1152个模具单元左、右半模合模，瓷片插入槽1插入氮化铝陶瓷片11，铝锭12依次投入模具单元6的入料口3，每8个模具单元6间隔传热板5组成单元模块9，每4个单元模块9嵌入带鳍壳体7的嵌入槽，构成成型模组，成型模组置于振动台10，完成衬板成型模组制备；
具体的，模具单元6左、右半模合模后整体尺寸为145*210*8mm，模具单元6表面氮化硼涂层厚度18μm，入料口放置铝锭体积为20dm3，瓷片置入区插入尺寸138*190*0.64mm的氮化铝瓷片，粗糙度Ra0.45μm，铝熔腔开槽深度0.5mm，1A99铝锭12依次采用20％NaoH水溶液浸泡3min，30％硝酸水溶液清洗45s，纯水洗，热风烘干后依次投入入料口3，每8个模具单元6间隔0.8mm传热板5组成单元模块9，每4个单元模块9嵌入带鳍片壳体7，构成成型模组放置于振动台10上，完成衬板成型模组制备；图5为模具模组剖面。
步骤二：衬板成型模组振动烧结
将步骤一的衬板成型模组置于烧结炉中，真空度为0.001Pa，温度为800℃，升温速率15℃/min，保温5h，振动频率50Hz，振动幅度0.10mm，氮气风冷至室温，取出，此时，铝锭12熔化敷接在氮化铝瓷片11表面，形成衬片，完成衬板成型模组振动烧结；
步骤三：表面处理
将步骤二的衬板进行表面研磨、清洗、完成衬板的制备；
具体的，将步骤二的衬板按水磨砂纸目数为2000、3000目依次研磨后，置于清洗为温度为45℃的20％NaoH水溶液浸泡50s，纯水洗，烘干，样品处理后表面粗糙度Ra0.5；如图8所示；
步骤四：图形蚀刻
将完成步骤三的衬板进行图形制作及水平湿法蚀刻，图形为矩形小岛，如图9所示。
对比例1
采用无振动铸造法烧结DBA衬板具体的：
S1：衬板成型模组制备
铝锭12清洗备用，32个模具单元6左、右半模合模，瓷片插入槽1插入氮化铝陶瓷片11，铝锭12依次投入模具单元6的入料口3，每8个模具单元6间隔传热板5组成单元模块9，每4个单元模块9嵌入带鳍壳体7，完成衬板成型模组制备；
具体的，模具单元6左、右半模合模后整体尺寸为145*210*8mm，模具单元6表面氮化硼涂层厚度18μm，入料口3放置铝锭12体积为18dm3，瓷片置入区插入尺寸138*190*0.64mm的氮化铝瓷片11，粗糙度Ra0.45μm，铝熔腔2开槽深度0.4mm，1A99铝锭12依次采用20％NaoH水溶液浸泡3min，30％硝酸水溶液清洗45s，纯水洗，热风烘干后依次投入入料口3，每8个模具单元6间隔0.8mm传热板5组成单元模块9，每4个单元模块9嵌入带鳍片壳体7，完成衬板成型模组制备。
S2：衬板成型模组烧结
将步骤S1的衬板成型模组置于烧结炉中升温烧结，真空度度为0.001Pa，加热温度设置温度为800℃，升温速率为15℃/min，无振动，保温5h，氮气风冷至室温，取出，此时，铝锭12熔化敷接在氮化铝瓷片11表面，形成衬片，完成衬板成型模组振动烧结；
S3：表面处理
将步骤S2的衬板进行表面研磨、清洗、完成衬板的制备；
具体的，将步骤S2的衬板按研磨水磨砂纸目数为2000、3000目依次研磨后，置于清洗为温度为45℃的20％NaoH水溶液浸泡50s，纯水洗，烘干，如图8所示。
对比：将实施例1与对比例1样品分别取出，宏观观察。
对比例1，样品表面存在大量铝液未浸润区、晶格、疏松的缺陷，轻微研磨后，无法上镀，无法满足商用要求。
实施例1，样品表面平整、表面镀镍金等可满足商用要求。
实施方式具体为：使用时，通过设置振动台10、瓷片插入槽1、铝熔腔2、传热板5，模具单元6对称的铝熔腔2开槽深度可控制衬板铝面的厚度，铝液互流通道4的开设，保证衬板铝面高度一致；传热片5与带鳍片壳体7确保成型模组升温冷却过程无热集中区，模组间相互无热影响；采用衬板成型模组与振动烧结方法相配合，在铝熔液敷接钎焊与冷却成型过程中，降低铝溶液粘度，均匀流动填充间隙，实现铝熔液与氮化铝瓷片11之间紧密敷接，铝面致密度高，成型均匀；衬板成型后合理的研磨参数让其具有良好的直接表面化学镀镍或者镍金的能力，满足封装基板商用要求；
本发明有益效果：
本发明成型的衬板不产生难以祛除的疏松、晶格、气孔等缺陷，无需进行大功率表面切削，衬板可靠性高；衬板成型模组设有传热板5及带鳍壳体7，使得成型模组升温、降温过程中的热量快速传递，节约能源的同时操作方便简单利于量产；本发明中的氮化铝覆铝陶瓷衬板在电力电子器件中的应用适用场合为大功率高温半导体器件，工作温度可达200℃-400℃，且可靠性明显优于氮化铝陶瓷覆铜基板。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)
1.一种衬板生产用成型模具，包括振动台(10)和若干个单元模块(9)，其特征在于：所述单元模块(9)设于振动台(10)顶部，所述单元模块(9)包括带鳍壳体(7)和若干个模具模块(8)，所述带鳍壳体(7)顶部开设有与模具模块(8)相匹配的嵌入槽，所述模具模块(8)包括若干个模具单元(6)和传热板(5)，所述传热板(5)设于相邻两个模具单元(6)之间，所述模具单元(6)内部设有瓷片插入槽(1)、铝熔腔(2)，所述铝熔腔(2)设于瓷片插入槽(1)外侧，所述铝熔腔(2)顶部设有同一个入料口(3)，所述入料口(3)内侧顶部设有铝锭(12)，所述铝熔腔(2)底部设有铝液互流通道(4)。
2.根据权利要求1所述的一种衬板生产用成型模具，其特征在于：所述带鳍壳体(7)顶部设有四个嵌入槽，所述模具模块(8)包括八个模具单元(6)。
3.根据权利要求1所述的一种衬板生产用成型模具，其特征在于：所述模具单元为石墨材料制成的治具，所述带鳍壳体(7)材质为铜金属，所述传热板(5)为铜金属板，厚度0.2～1mm。
4.根据权利要求1所述的一种衬板生产用成型模具，其特征在于：所述模具单元(6)表面具有氮化硼涂层，涂层厚度15～20μm，所述模具单元(6)合模总厚度为8mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的一种衬板生产用成型模具，其特征在于：所述模具单元(6)包括凹凸相互配合的左半模与右半模，所述左半模和右半模的腔体开设瓷片插入槽(1)、铝熔腔(2)，两个所述铝熔腔(2)通过铝液互流通道(4)连通。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种衬板生产用成型模具的成型方法，其特征在于：采用上述衬板生产用成型模具，包括如下步骤：
(1)衬板生产用成型模具制备：
铝锭(12)清洗备用，模具单元(6)的左半模、右半模合模，将氮化铝瓷片(11)插入瓷片插入槽(1)内部，铝锭(12)投入模具单元(6)的入料口(3)，模具单元(6)间隔传热板(5)组成模具模块(8)，将模具模块(8)嵌入带鳍壳体(7)的嵌入槽内部组成单元模块(9)，将多个单元模块(9)置于振动台(10)上，完成衬板生产用成型模具制备；
(2)衬板生产用成型模具振动烧结：
将步骤(1)的衬板生产用成型模具置于烧结炉中，真空度＜0.01Pa，振动频率50～100Hz，振动幅度0.05mm～0.30mm，温度为680～850℃，升温速率10～20℃/min，保温4～6h，氮气风冷至室温，取出，此时，铝锭(12)熔化敷接在氮化铝瓷片(11)表面，形成衬片，完成衬板生产用成型模具的振动烧结；
(3)表面处理：
将步骤(2)的衬板进行表面研磨、清洗完成衬板的制备。
7.根据权利要求6所述的一种衬板生产用成型模具的成型方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铝锭为铝含量≥99.9％的高纯铝。
8.根据权利要求6所述的一种衬板生产用成型模具的成型方法，其特征在于：所述步骤(1)中，氮化铝瓷片粗糙度为Ra 0.2～0.6μm。
9.根据权利要求6所述的一种衬板生产用成型模具的成型方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铝锭清洗备用为依次采用15％～20％NaoH水溶液浸泡2～3min，20％～30％硝酸水溶液清洗30～60s，纯水洗，烘干后备用。
10.根据权利要求6所述的一种衬板生产用成型模具的成型方法，其特征在于：所述步骤(3)中，研磨砂纸目数为1500～4000目，清洗为温度为40℃～50℃的15％～20％NaoH水溶液浸泡45～60s，纯水洗，烘干，样品处理后表面粗糙度Ra≤0.6μm。
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