CN117174671A - 一种金刚石铝/铝针式igbt散热基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，根据设计形状在铝板上加工凹槽，得到底板；另外加工与凹槽形状尺寸匹配的铝板作为压板；将铝合金箔片裁剪成与凹槽一致的形状，然后使用打孔机进行打孔，得到铝合金箔片1；使用布料机在铝合金箔片1上单层密排金刚石颗粒，得到铝合金箔片2；在所述底板的凹槽内交替铺垫铝合金箔片1、铝合金箔片2，加盖与所述底板匹配的铝合金压板，得到预制件；所得预制件置于真空热压炉中挤压铸造，得到粗坯；所得粗坯机加工去除表面多余铝层，置于模锻模具中冷锻成型，然后机加工出针式散热基板，热处理后形成最终产品。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种IGBT针式散热基板的制备方法。
背景技术
散热基板是IGBT功率模块的核心散热部件，车规级功率半导体模块散热基板必须具备良好的导热性能、与陶瓷覆铜板相匹配的热膨胀系数。热管理失效是IGBT功率模块损坏的重要原因之一，主要因高温热应力导致，所以良好的热管理性能对于IGBT功率模块稳定性、可靠性极为重要。
针式散热基板是车规级功率半导体应用广泛的一种散热基板，目前材质多为铜或铝，铜或铝虽具有良好的导热性能，但其热膨胀系数与覆铜陶瓷基板相差较大。随着车规级功率半导体的电压不断提升，发热量也进一步增加，因热应力造成损坏的比例进一步提升。金刚石铝具有高导热、低热膨胀系数、重量轻的优势，但其可加工性极差，难以制备出形状复杂的产品，极大制约了其应用潜力。
发明内容
针对金刚石铝难以制备复杂形状器件的问题，本发明目的在于提供一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板的制备方法，通过挤压铸造方式制备金刚石铝，铸造模具与金刚石铝复合一体，再通过模锻方式将金刚石铝和铝/铝合金复合体制备成IGBT针式散热基板。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，包括以下步骤：
(1)根据设计形状在铝板上加工凹槽，得到底板；另外加工与凹槽形状尺寸匹配的铝板作为压板；
(2)将铝合金箔片裁剪成与凹槽一致的形状，然后使用打孔机进行打孔，得到铝合金箔片1；使用布料机在铝合金箔片1上单层密排金刚石颗粒，得到铝合金箔片2；
(3)在所述底板的凹槽内交替铺垫铝合金箔片1、铝合金箔片2，加盖与所述底板匹配的铝合金压板，得到预制件；
(4)所得预制件置于真空热压炉中挤压铸造，得到粗坯；
(5)所得粗坯机加工去除表面多余铝层，置于模锻模具中冷锻成型，然后机加工出针式散热基板，热处理后形成最终产品。
按上述方案，所述铝板为纯铝或铝合金，优选为6061、6063铝合金。
按上述方案，步骤(1)所述底板与压板配合间隙为0.01-0.05mm，优选为0.03～0.05mm；所述压板设计有圆形排气孔，排气孔直径为0.5-3mm，优选为1-1.5mm。
按上述方案，步骤(2)所述铝合金箔片为Al-Si-Mg合金，厚度为0.05～0.2mm，熔点低于所述铝板；铝合金箔片材质优选为4004、4014铝合金。
按上述方案，步骤(2)所述铝合金箔片打孔孔径小于金刚石粒径。
按上述方案，步骤(2)所述金刚石为镀层金刚石，粒径为200～500μm，优选为300～500μm；所述镀层为Ti、Cr、Ni中的一种，镀层厚度为100～800nm。
按上述方案，步骤(3)中凹槽底部先放置铝合金箔片1若干层，然后交替叠放，在最上面放置铝合金箔片1若干层。
按上述方案，步骤(4)所述挤压铸造包括：
1)真空热压炉抽真空至10-3Pa以下，然后以5～10℃/min升温至铝合金箔片1熔点以下10～40℃，保温0.5～2h，辅助凹槽腔体充分排气；
2)以15～20℃/min迅速升温至铝合金箔片熔点以上、铝板的熔点以下，保温1～5min；对压板加压至压强为0.5～4MPa，在1～2min内完成加压，保温1～10min；
3)向炉内通入氮气或氩气，使炉温迅速下降至铝合金箔片熔点以下30～50℃，然后停止通入气体，抽真空至10-1～10-3Pa；
4)随炉冷却至100℃以下得到粗坯。
按上述方案，步骤(5)所得产品热导率为500～600W/mK，热膨胀系数为6.0～7.5ppm/K。
本发明在挤压铸造模具设计、液相铝合金的布料方式、挤压铸造工艺等多方面对传统挤压铸造方法进行改进，提供了一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法。挤压铸造模具中底板和压板的紧配合，在压头将排气孔挡住后，可以在铝合金液熔化前期在模具凹坑中形成相对封闭腔体，通过压头压力可促使铝合金熔液压入金刚石空隙中，形成性能良好的金刚石铝。随着压力的持续施加以及铝合金液对铝底板、铝压板的熔蚀的双重作用下，多余铝合金液将从铝底板、铝压板的缝隙中逐渐溢出。此时，通入冷却气体迅速降温，铝合金液凝固，即实现了金刚石铝/铝复合材料的制备。本发明通过铝、金刚石的层状布料方式，预先将铝均匀分布于金刚石周围，减小了铝熔液在熔渗时所需的运动距离，更有利于在较低挤压压力下完成金刚石空隙的充分填充。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
(1)本发明制备出的铝、金刚石铝复合体，融合了铝易加工和金刚石铝热导率高、热膨胀系数低的特点，制备出导热性能好且易加工成型的针式散热基板，生产成本低、效率高。
(2)利用熔点较熔渗铝更高的铝/铝合金作为挤压铸造模具，并通过对模具结构的合理设计，使得熔渗后金刚石铝和模具融为一体。
(3)在挤压铸造时，将熔渗铝进行预层状排布，保证低压条件下熔渗铝良好填充金刚石间空隙，从而制备出金刚石排布均匀、热导率高、热膨胀系数低的金刚石铝。
附图说明
图1：铝压板与铝底板结构示意图。
图2：实施例1所得金刚石铝/铝IGBT针式散热基板实物照片。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，包括以下步骤：
(1)通过CNC机加工预制挤压铸造用铝底板和铝压板，铝压板与铝底板中的凹槽形状尺寸匹配，结构示意图如图1所示，铝底板、铝压板材质为6063铝合金，配合间隙为0.05mm。
(2)将0.07mm厚4014铝合金箔片裁剪成与铝压板大小一致，并使用打孔机进行打孔。
(3)使用布料机将200μm镀Ni金刚石在步骤(2)所述铝合金箔片上单层密排，形成含单层金刚石的金刚石铝合金箔。
(4)在步骤(1)所述铝底板的凹槽底部放置3层0.07mm厚4014铝合金箔片，然后将金刚石铝合金箔、铝合金箔交替叠放，共计20层，在最上面放置6层0.07mm厚4014铝合金箔片，然后将步骤(1)所述铝压板预压铝底板的凹槽中，形成预制件。
(5)将步骤(4)所述金刚石铝合金复合体置于真空热压炉中，进行挤压铸造，形成金刚石铝合金复合体粗坯。挤压铸造工艺为：
1)真空热压炉抽真空至10-3Pa以下，然后以15℃/min升温至550℃，保温0.5h；
2)以20℃/min迅速升温至595℃，保温2min后；对铝压板施加压至1MPa，加压速率为1MPa/min，保温3min；
3)向炉内通入室温氮气或氩气，使炉温迅速降至500℃，然后停止通入气体，抽真空至10-2Pa；
4)保压并随炉冷却，冷却至100℃以下后取出样品。
(6)通过CNC机加工去除步骤(5)制成的金刚石铝合金复合体粗坯上表面多余铝层，形成金刚石铝合金复合体，将金刚石铝合金复合体置于模锻模具中，冷锻成型，然后CNC机加工出针式散热基板，随后进行热处理，形成最终产品。
制备出的金刚石铝芯体热导率为512W/mK，热膨胀系数为7.8ppm/K。
本实施例所得金刚石铝/铝IGBT针式散热基板实物照片见附图2所示。
实施例2
一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，包括以下步骤：
(1)通过CNC机加工预制挤压铸造用铝底板和铝压板，铝压板与铝底板中的凹槽形状尺寸匹配，结构示意图如图1所示，铝底板、铝压板材质为6061铝合金，配合间隙为0.03mm，铝压板上加工出5个中心对称的排气孔，排气孔直径为1mm。
(2)将0.1mm厚4004铝合金箔片裁剪成与所述铝压板大小一致的铝合金箔片，并使用打孔机进行打孔。
(3)使用布料机将300μm镀Ti金刚石在步骤(2)所述铝合金箔片上单层密排，形成含单层金刚石的金刚石铝合金箔。
(4)在步骤(1)所述铝底板的凹槽底部放置3层0.1mm厚4004铝合金箔片，然后将金刚石铝合金箔、铝合金箔交替叠放，共计20层。在最上面放置6层0.1mm厚4004铝合金箔片，然后将步骤(1)所述铝压板预压铝底板的凹槽中，形成预制件。
(5)将步骤(4)所述金刚石铝合金复合体置于真空热压炉中，进行挤压铸造，形成金刚石铝合金复合体粗坯。挤压铸造工艺为：
1)真空热压炉抽真空至10-3Pa以下，然后以5℃/min升温至550℃，保温0.5h；
2)以20℃/min迅速升温至590℃，保温2min后；对铝压板施加压至1MPa，加压速率为1MPa/min，保温3min；
3)向炉内通入室温氮气或氩气，使炉温迅速降至500℃，然后停止通入气体，抽真空至10-2Pa；
4)保压并随炉冷却，冷却至100℃以下后取出样品。
(6)通过CNC机加工去除步骤(5)制成的金刚石铝合金复合体粗坯上表面多余铝层，形成金刚石铝合金复合体，将金刚石铝合金复合体置于模锻模具中，冷锻成型，然后CNC机加工出针式散热基板，随后进行热处理，形成最终产品。
制备出的金刚石铝芯体热导率为552W/mK，热膨胀系数为7.5ppm/K。
实施例3
一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，包括以下步骤：
(1)通过CNC机加工预制挤压铸造用铝底板和铝压板，铝压板与铝底板中的凹槽形状尺寸匹配，结构示意图如图1所示，铝底板、铝压板材质为6063铝合金，配合间隙为0.03mm，铝压板上加工出5个中心对称的排气孔，排气孔直径为1mm。
(2)将0.14mm厚4004铝合金箔片裁剪成与步骤(1)所述铝压板大小一致的铝合金箔片，并使用打孔机进行打孔。
(3)使用布料机将500μm镀Si金刚石在步骤(2)所述铝合金箔片上单层密排，形成含单层金刚石的金刚石铝合金箔。
(4)在步骤(1)所述铝底板的凹槽底部放置3层0.14mm厚4004铝合金箔片，然后将金刚石铝合金箔、铝合金箔交替叠放，共计12层。在最上面放置3层0.14mm厚4004铝合金箔片，然后将步骤(1)所述铝压板预压铝底板的凹槽中，形成预制件。
(5)将步骤(4)所述金刚石铝合金复合体置于真空热压炉中，进行挤压铸造，形成金刚石铝合金复合体粗坯。挤压铸造工艺为：
1)真空热压炉抽真空至10-3Pa以下，然后以10℃/min升温至550℃，保温0.5h；
2)以20℃/min迅速升温至600℃，保温4min后；对铝压板施加压至2MPa，加压速率为2MPa/min，保温6min；
3)向炉内通入室温氮气或氩气，使炉温迅速降至500℃，然后停止通入气体，抽真空至10-2Pa；
4)保压并随炉冷却，冷却至100℃以下后取出样品。
(6)通过CNC机加工去除步骤(5)制成的金刚石铝合金复合体粗坯上表面多余铝层，形成金刚石铝合金复合体，将金刚石铝合金复合体置于模锻模具中，冷锻成型，然后CNC机加工出针式散热基板，随后进行热处理，形成最终产品。
制备出的金刚石铝芯体热导率为598W/mK，热膨胀系数为7.0ppm/K。
Claims (9)
1.一种金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据设计形状在铝板上加工凹槽，得到底板；另外加工与凹槽形状尺寸匹配的铝板作为压板；
(2)将铝合金箔片裁剪成与凹槽一致的形状，然后使用打孔机进行打孔，得到铝合金箔片1；使用布料机在铝合金箔片1上单层密排金刚石颗粒，得到铝合金箔片2；
(3)在所述底板的凹槽内交替铺垫铝合金箔片1、铝合金箔片2，加盖与所述底板匹配的铝合金压板，得到预制件；
(4)所得预制件置于真空热压炉中挤压铸造，得到粗坯；
(5)所得粗坯机加工去除表面多余铝层，置于模锻模具中冷锻成型，然后机加工出针式散热基板，热处理后形成最终产品。
2.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于所述铝板为纯铝或铝合金。
3.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于步骤(1)所述底板与压板配合间隙为0.01-0.05mm；所述压板设计有圆形排气孔，排气孔直径为0.5-3mm。
4.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于步骤(2)所述铝合金箔片为Al-Si-Mg合金，厚度为0.05～0.2mm，熔点低于所述铝板。
5.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于步骤(2)所述铝合金箔片打孔孔径小于金刚石粒径。
6.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于步骤(2)所述金刚石为镀层金刚石，粒径为200～500μm；所述镀层为Ti、Cr、Ni中的一种，镀层厚度为100～800nm。
7.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于步骤(3)中凹槽底部先放置铝合金箔片1若干层，然后交替叠放，在最上面放置铝合金箔片1若干层。
8.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于步骤(4)所述挤压铸造包括：
1)真空热压炉抽真空至10-3Pa以下，然后以5～10℃/min升温至铝合金箔片1熔点以下10～40℃，保温0.5～2h，辅助凹槽腔体充分排气；
2)以15～20℃/min迅速升温至铝合金箔片熔点以上、铝板的熔点以下，保温1～5min；对压板加压至压强为0.5～4MPa，在1～2min内完成加压，保温1～10min；
3)向炉内通入氮气或氩气，使炉温迅速下降至铝合金箔片熔点以下30～50℃，然后停止通入气体，抽真空至10-1～10-3Pa；
4)随炉冷却至100℃以下得到粗坯。
9.如权利要求1所述金刚石铝/铝IGBT针式散热基板及其制备方法，其特征在于步骤(5)所得产品热导率为500～600W/mK，热膨胀系数为6.0～7.5ppm/K。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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