一種鋁碳化硅基板骨架的制備模具及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋁碳化硅基板骨架的制備模具及其制備方法。為了降低鋁碳化硅基板的制造成本，所述模具包括上模、下模和型腔；所述上模的下表面帶有凸臺(tái)，所述下模的上表面為凹球面；所述型腔與上模和下模配合，下模上表面的凹球面與鋁碳化硅基板的底面拱度一致；所述上模的凸臺(tái)設(shè)置在與鋁碳化硅基板打孔或攻絲的位置對(duì)應(yīng)處。本發(fā)明加工工藝簡單，生產(chǎn)效率高、成本低，適用性強(qiáng)。
【專利說明】一種鋁碳化硅基板骨架的制備模具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多孔鋁碳化硅骨架的制備領(lǐng)域，具體為一種制備鋁碳化硅基板骨架的模具及鋁碳化硅基板的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁碳化硅復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、比強(qiáng)度高等優(yōu)異特性，可以用于電子封裝散熱基板，也可以用于制造精密儀器的關(guān)鍵部件；是減少載荷，取代鎢銅合金電子封裝材料的先進(jìn)復(fù)合材料。
[0003]國內(nèi)目前通常采用電阻燒結(jié)爐燒結(jié)鋁碳化硅復(fù)合材料的碳化硅骨架(專利文獻(xiàn)I)，然后采用真空壓力浸潰工藝在碳化硅骨架上滲鋁合金，再機(jī)械加工成工件。當(dāng)鋁碳化硅基板與其他零件結(jié)合使用時(shí)，如散熱片，通常是在鋁碳化硅基板的周緣部位打孔或攻絲，用螺絲將底板固定在散熱片等上，如果基板上存在微小的凹凸，則基板和散熱片之間存在會(huì)產(chǎn)生縫隙，會(huì)存在基板與組件之間的導(dǎo)熱性下降。
[0004]因此，為了使基板與散熱片結(jié)合時(shí)不產(chǎn)生間隙，要求采用帶有一定拱度的鋁碳化硅基板。采用具有規(guī)則形狀的模具對(duì)基板熱壓成型，獲得的拱面彎曲度參次不齊，同樣會(huì)使基板與散熱片之間產(chǎn)生縫隙影響導(dǎo)熱。
[0005]如果采用機(jī)械加工對(duì)基板表面數(shù)控車而形成拱面的方法，鋁碳化硅復(fù)合材料的硬度僅次于金剛石，屬于難加工材料之一，且必須使用金剛石等工具進(jìn)行加工，存在加工難度大，加工周期長，成本高等問題。另外，在鋁碳化硅基板上打孔或攻絲存在相同的問題。
[0006]日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社采用在鋁碳化硅復(fù)合材料表面覆鋁的工藝，然后在鋁合金上機(jī)械加工成拱面，機(jī)械加工易造成拱面鋁層厚度分布不均勻，中間部位的鋁層厚，從而引起拱面導(dǎo)熱不均勻，導(dǎo)致基板與芯片焊接時(shí)變形。
[0007]日本電氣化工業(yè)株式會(huì)社的專利鋁-碳化硅復(fù)合體中提到在碳化硅的散熱面采用成型或者機(jī)械加工骨架的方法形成彎曲形狀，成型方法沒有提及模具的設(shè)計(jì)；采用機(jī)械加工形成彎曲形狀增加了制備工序，增加了成本。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]為了克服現(xiàn)有的制備鋁碳化硅基板存在的上述不足，本發(fā)明旨在提供一種制備鋁碳化硅基板的及鋁碳化硅基板的制備方法，該模具及制備方法加工工藝簡單，生產(chǎn)效率高、成本低，適用性強(qiáng)。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種制備鋁碳化硅基板骨架的模具，包括上模、下模和型腔；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，所述上模的下表面具有向下延伸的凸臺(tái)，所述下模的上表面為凹球面，該凹球面與鋁碳化硅基板的底面拱度一致；所述上模的凸臺(tái)設(shè)置在與鋁碳化硅基板打孔或攻絲的位置對(duì)應(yīng)處。
[0010]由此，制備的碳化硅骨架時(shí)，在需要打孔或攻絲的對(duì)應(yīng)位置預(yù)留出所需孔洞，在真空浸滲時(shí)使孔洞充滿鋁合金；同時(shí)，制備的碳化硅骨架的一面帶有所需的拱度，真空浸滲后，在鋁合金上機(jī)械加工形成拱面；骨架成型模具的下模表面設(shè)計(jì)成凹球面，使所成型的碳化硅骨架的一面具有所需的拱度。
[0011]以下為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案:
為了方便脫模，上模具有一定的拔模斜度，所述上模向下延伸的凸臺(tái)為錐臺(tái)形凸臺(tái)。更進(jìn)一步地,所述錐臺(tái)母線與其軸心線的夾角不大于5°。
[0012]本發(fā)明還提供了一種利用上述制備鋁碳化硅基板骨架的模具及制備鋁碳化硅基板的方法，其包括如下步驟:
a)將碳化硅粉末300質(zhì)量份、高溫粘接劑2?4質(zhì)量份和低溫粘結(jié)劑1-3質(zhì)量份混合；
b)將步驟a)所得混合物干燥，并過篩造粒；
c)將造粒后的混合物置于所述型腔內(nèi)，并在7(Tl20MPa的壓力下模壓成型得碳化硅骨
架；
d)從型腔內(nèi)取出碳化硅骨架，并將碳化硅骨架放入微波爐內(nèi)加熱至600°C?800°C，并保溫和冷卻，得到有一定強(qiáng)度的多孔碳化硅骨架；
e)將多孔碳化硅骨架在6?IOMPa的壓力下浸滲鋁合金熔液，得鋁碳化硅基板。
[0013]作為一種具體的多孔碳化硅骨架結(jié)構(gòu)，所述多孔碳化硅骨架的孔隙率為25%?40%。
[0014]進(jìn)一步地，在步驟e)中，多孔碳化硅骨架浸滲鋁合金熔液在真空條件下進(jìn)行，溫度為 750°C?850°C。
[0015]進(jìn)一步地，所述鋁碳化硅基板的外表面進(jìn)行鍍鎳磷合金處理，鎳磷合金厚度為10 μ m ?20 μ m
進(jìn)一步地，所述鋁碳化硅基板表面的鋁合金層厚度不超過0.5mm。
[0016]藉由上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明是通過在制備碳化硅骨架時(shí)，在上模上按照孔的尺寸設(shè)計(jì)圓柱形凸臺(tái)，在碳化硅骨架上預(yù)留出打孔或攻絲的圓形孔洞，在真空壓力浸潰鋁合金時(shí)，孔洞部位充滿鋁合金，在鋁合金上打孔或攻絲降低了加工成本，提高了加工效率，同時(shí)不影響鋁碳化硅復(fù)合材料的性能；下模的上表面按基板拱度尺寸設(shè)計(jì)成凹球面，使碳化硅骨架的下表面帶有一定的拱度，經(jīng)碳化硅骨架真空壓力滲鋁后，在該基板的鋁合金層上機(jī)械加工成凸球面，避免了在鋁碳化硅復(fù)合材料上機(jī)械加工，提高效率，降低成本。
[0017]本發(fā)明采取的技術(shù)方案主要包括以下步驟:
(1)骨架成型模具設(shè)計(jì):
(A)上模的設(shè)計(jì):根據(jù)基板上孔或攻絲部位的位置及尺寸設(shè)計(jì)成有圓柱臺(tái)形的凸臺(tái)，在凹凸連接部位采用圓弧過渡，將模具設(shè)計(jì)成具有一定的拔模斜度，其方法為:出模方向上的傾斜角度小于等于5度；
(B)下模的設(shè)計(jì):根據(jù)基板拱度的尺寸要求設(shè)計(jì)下模，將下模設(shè)計(jì)成凹球面，從而使骨架的一面具有所需的拱度；
(2)使用上述(I)中的模具制備的IGBT基板用碳化硅骨架，其體積分?jǐn)?shù)為60%?75%(即孔隙率為25%?40%)；
(3)上述(2)制備的IGBT基板用碳化硅骨架，燒結(jié)溫度為600°C?800°C；
(4)上述(3)中的IGBT基板用骨架，采用真空壓力滲鋁合金方法:將碳化硅骨架和陶瓷隔板交替疊放，裝入滲鋁不銹鋼盒子里，然后將不銹鋼盒子裝入真空浸潰爐，滲鋁壓力為8Mpa0
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
I)基板的兩主面包覆有均勻的金屬鋁層，且安裝孔位置以及兩主面全部由鋁合金形成，四周裸露鋁碳化硅復(fù)合材料。
[0019]2)對(duì)鋁碳化硅復(fù)合材料的拱面利用數(shù)控車在金屬鋁合金層加工拱面，拱面的鋁層厚度分布均勻，不影響整體性能，熱導(dǎo)率在185W/m -K以上，且溫度為150°C時(shí)熱膨脹系數(shù)小于 7.5 Χ10_6/Κο
[0020]3)真空壓力浸滲法制備的鋁碳化硅基板，在其表面實(shí)施化學(xué)鍍鎳磷合金處理，形成10?20--m的鍍層，磷含量小于8%。
[0021]總之，本發(fā)明加工工藝簡單，生產(chǎn)效率高、成本低，適用性強(qiáng)。
[0022]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。 【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0024]在圖中
1_上模；2-圓柱凸臺(tái)；3-型腔；4-碳化娃顆粒；5-下模。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1
招碳化娃復(fù)合材料碳化娃骨架尺寸為130_X 140_X 5mm。
(1)按配比稱取碳化硅粉末A和B共300g，高溫粘接劑3%和低溫粘接劑2%，用攪拌機(jī)混合30min ；
(2)將上述混合物放入烘箱，在80°C下進(jìn)行干燥，然后用篩料機(jī)過篩造粒；
(3)將上述碳化硅顆粒按圖1所示方法，以IOOMPa的壓力下模壓成型；
(4)將上述壓制成型的碳化硅骨架碼放5層為I垛，每板上放6垛，每垛四周留Imm的間距，將碼放好碳化硅骨架的耐火材料板放入微波爐內(nèi)，升溫至800°C，保溫60min，得到多孔碳化硅骨架，體積分?jǐn)?shù)為65% ；
(5)將上述體積分?jǐn)?shù)為70%的碳化硅骨架與陶瓷板交叉疊放，裝入不銹鋼盒子里，然后焊接導(dǎo)液管，采用真空壓力浸滲鋁合金熔液，金屬6063鋁合金在750°C下熔化，在IOMPa的壓力下浸滲成型，獲得鋁碳化硅基板毛坯；
(6)將上述鋁碳化硅基板毛坯拆解去毛刺，經(jīng)過少量機(jī)械加工后獲得鋁碳化硅基板，基板的熱導(dǎo)率為192 ff/m.k，25°C?150°C熱膨脹系數(shù)為6.2X 10_6/K，致密度高。
[0026]實(shí)施例2
招碳化娃復(fù)合材料碳化娃骨架尺寸為I IOmmX 80mmX 4mm。
(1)按配比稱取碳化硅粉末A和B共300g，高溫粘接劑3%和低溫粘接劑2%，用攪拌機(jī)混合30min ；
(2)將上述混合物放入烘箱，在80°C下進(jìn)行干燥，然后用篩料機(jī)過篩造粒；
(3)將上述碳化硅顆粒按圖1所示方法，以SOMPa的壓力下模壓成型；
(4)將上述壓制成型的碳化硅骨架碼放5層為I垛，每板上方6垛，每垛四周留Imm的間距，將碼放好碳化硅骨架的耐火材料板放入微波爐內(nèi)，升溫至800°C，保溫60min，得到多孔碳化硅預(yù)制件，體積分?jǐn)?shù)為70% ；
(5)將上述體積分?jǐn)?shù)為65%的碳化硅骨架與陶瓷板交叉疊放，裝入不銹鋼盒子里，然后焊接導(dǎo)液管，采用真空壓力浸滲6063鋁合金熔液，金屬鋁合金在750°C下熔化，在8MPa的壓力下浸滲成型，獲得鋁碳化硅基板毛坯；
(6)將上述鋁碳化硅基板毛坯拆解去毛刺，經(jīng)過少量機(jī)械加工后獲得鋁碳化硅基板，基板的熱導(dǎo)率為190W/m.k，25°C?150°C熱膨脹系數(shù)為7.0X 10_6/K，致密度高。
[0027]上述實(shí)施例闡明的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅用于更清楚地說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁碳化硅基板骨架的制備模具，包括上模(1)，下模(5)和型腔(3);其特征在于，所述上模(I)的下表面具有向下延伸的凸臺(tái)(2);所述下模(5)的上表面為凹球面，該凹球面與鋁碳化硅基板的底面拱度一致；所述上模(I)的凸臺(tái)(2)設(shè)置在與鋁碳化硅基板打孔或攻絲的位置對(duì)應(yīng)處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備鋁碳化硅基板骨架的模具，其特征在于，所述上模(I)向下延伸的凸臺(tái)為錐臺(tái)形凸臺(tái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁碳化硅基板骨架的制備模具，其特征在于，所述錐臺(tái)母線與其軸心線的夾角不大于5°。
4.一種利用權(quán)利要求1?3之一所述制備鋁碳化硅基板骨架的模具及制備鋁碳化硅基板的方法，其特征在于，包括如下步驟: a)將碳化硅粉末300質(zhì)量份、高溫粘接劑2?4質(zhì)量份和低溫粘結(jié)劑1-3質(zhì)量份混合； b)將步驟a)所得混合物干燥，并過篩造粒； c)將造粒后的混合物置于所述型腔內(nèi)，并在7(Tl20MPa的壓力下模壓成型得碳化硅骨架； d)從型腔內(nèi)取出碳化硅骨架，并將碳化硅骨架加熱至600°C?1000°C，并保溫及冷卻后，得到多孔碳化硅骨架； e)將多孔碳化硅骨架在flOMPa的壓力下浸滲鋁合金熔液，冷卻后，得鋁碳化硅基板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述制備鋁碳化硅基板的方法，其特征在于，所述鋁碳化硅基板表面的招合金層厚度不超過0.5mm。
【文檔編號(hào)】B22F3/03GK103433486SQ201310379216
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】胡娟, 舒陽會(huì), 彭錦波 申請(qǐng)人:湖南航天工業(yè)總公司