結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件正沿著大功率化、高頻化的方向發(fā)展，其中IGBT功率模塊集成度的不斷提高，功率不斷增大，使得工作溫度不斷上升，對(duì)基板的散熱提出更高要求。鋁、銅作為基板材料具有高的導(dǎo)熱率，但是其膨脹率較高，導(dǎo)致工作溫度變化時(shí)，基板與焊接元器件之間的脫離，造成設(shè)備失效。因此基板材料需要較低的密度、較低的膨脹率和較高的導(dǎo)熱率。為了滿足基板性能的要求，高體積分?jǐn)?shù)的碳化硅鋁基復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)熱率和較低的膨脹率，成為理想的IGBT模塊基板材料。
[0003]目前，高體積分?jǐn)?shù)碳化硅鋁基復(fù)合材料通過擠壓浸滲方法制備，在壓力作用下將液態(tài)招擠入碳化娃預(yù)制塊中以形成高體積分?jǐn)?shù)碳化娃招基復(fù)合材料。R.Arpon(ActaMater.51 (2003)3145-3156)> J.M.Molina (Materials Science and EngineeringA480 (2008) 483-488)等，通過預(yù)制塊制備的碳化硅鋁基復(fù)合材料其熱膨脹率為7.8?10.8ppm/K,導(dǎo)熱率在150?220W/m.K。其導(dǎo)熱率偏低，不能滿足高功率IGBT模塊對(duì)散熱性能的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料及制備方法。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]第一方面，本發(fā)明利用3D打印技術(shù)和擠壓浸潰技術(shù)提供一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料的制備方法，包括以下步驟:
[0007](1)將100?300目碳化硅粉末與500?1500目化硅粉末按兩種重量比分別混合均勻，得碳化硅粉末混合物A和B ;
[0008](2)將碳化硅粉末混合物A倒入預(yù)先設(shè)計(jì)好的3D打印模板中，干燥、燒結(jié)、去除模板，即得預(yù)制塊坯料；
[0009](3)將碳化硅粉末混合物B倒入步驟(2)制得的預(yù)制塊坯料孔隙，即得最終預(yù)制塊；
[0010](4)將最終預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱，澆入鋁合金熔體，施加壓力使得鋁合金熔體充滿預(yù)制塊里面的孔隙，高壓凝固、冷卻，即得結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料。
[0011]其中，所述步驟(1)中重量比可以相同，也可以不同。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟(1)中重量比為100?300目碳化硅粉末比500?1500目碳化石圭粉末為3:1?6:1 ;所述混合米用機(jī)械混合方法。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(2)中3D打印模板的結(jié)構(gòu)為三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、垂直圓柱結(jié)構(gòu)或垂直棱柱結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟⑵中干燥的溫度為80?120°C，燒結(jié)的溫度為500?800°C。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟(4)中預(yù)熱溫度為400?550°C，鋁合金熔體溫度為760 V?800°C，壓力施加方式為液壓，壓力大小為10?30MPa。
[0016]第二方面，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱、低膨脹鋁碳化硅基板材料，其熱膨脹率為7.0?9.0ppm/K,導(dǎo)熱率為230?280ff/m.K。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0018]本發(fā)明采用3D打印技術(shù)可以得到結(jié)構(gòu)可控的碳化硅預(yù)制塊，實(shí)現(xiàn)不同性能高導(dǎo)熱鋁碳化硅復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其膨脹系數(shù)為7.0?9.0ppm/K、導(dǎo)熱率為230?280W/m.Ko
【附圖說明】
[0019]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0020]圖1為垂直圓柱結(jié)構(gòu)。
[0021]圖2為三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0022]圖3為垂直棱柱結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例涉及一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料及制備方法，具體步驟包括:
[0026]將600克300目的碳化硅粉末和100克1500目的碳化硅粉末通過機(jī)械的方式混合均勻；將其倒入三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模板中(見圖1)，在120°c下干燥，將該預(yù)制件放入熱處理爐500°C進(jìn)行燒結(jié)，使得模板燃燒同時(shí)得到具有一定的強(qiáng)度碳化硅預(yù)制件坯料；將300克200目的碳化娃粉末和100克1000目的碳化娃粉末通過機(jī)械的方式混合均勻，倒入上一步燒結(jié)后的預(yù)制塊中使其充滿孔隙；將充填緊實(shí)的預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱至550°C，澆入初始溫度為800°C鋁合金，并使得其在壓力為lOMPa液壓作用下浸滲并凝固，脫模后得到鋁碳化娃聞導(dǎo)熱基板材料。
[0027]將所得的鋁碳化硅基板材料進(jìn)行熱膨脹率和熱導(dǎo)率測(cè)試，熱膨脹率為7.0ppm/K,熱導(dǎo)率為230W/m.K。
[0028]實(shí)施例2
[0029]本實(shí)施例涉及一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料及制備方法，具體步驟包括:
[0030]將500克200目的碳化硅粉末和100克1000目的碳化硅粉末通過機(jī)械的方式混合均勻，將其倒入垂直圓柱結(jié)構(gòu)模板之中(見圖2)，在100°C下干燥，將該預(yù)制件放入熱處理爐650°C進(jìn)行燒結(jié)，使得模板燃燒同時(shí)得到具有一定的強(qiáng)度碳化硅預(yù)制件坯料，將500克300目的碳化硅粉末和100克500目的碳化硅粉末通過機(jī)械的方式混合均勻，倒入上一步燒結(jié)后的預(yù)制塊中使其充滿孔隙，將充填緊實(shí)的預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱至475°C，澆入初始溫度為780°C鋁合金，并使得其在壓力為20MPa液壓作用下凝固，脫模后得到鋁碳化硅高導(dǎo)熱基板材料。
[0031]將所得的鋁碳化硅基板材料進(jìn)行熱膨脹率和熱導(dǎo)率測(cè)試，圓柱軸線方向上熱膨脹率為8.0ppm/K，熱導(dǎo)率為250W/m.K。
[0032]實(shí)施例3
[0033]本實(shí)施例涉及一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱、低膨脹鋁碳化硅基板材料及制備方法，具體步驟包括:
[0034]將600克100目的碳化娃粉末和200克500目的碳化娃粉末通過機(jī)械的方式混合均勻，將其灌入垂直棱柱結(jié)構(gòu)模板之中(見圖3)，在80°C下干燥，將該預(yù)制件放入熱處理爐800°C進(jìn)行燒結(jié)，使得模板燃燒同時(shí)碳化硅預(yù)制件具有一定的強(qiáng)度，使得模板燃燒同時(shí)得到具有一定的強(qiáng)度碳化硅預(yù)制件坯料，將600克400目的碳化硅粉末和200克1500目的碳化硅粉末通過機(jī)械的方式混合均勻，倒入上一步燒結(jié)后的預(yù)制塊中使其充滿孔隙，將充填緊實(shí)的預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱至400°C，澆入初始溫度為760°C鋁合金，并使得其在壓力為30MPa液壓作用下凝固，脫模后得到鋁碳化硅高導(dǎo)熱基板材料。
[0035]將所得的鋁碳化硅基板材料進(jìn)行熱膨脹率和熱導(dǎo)率測(cè)試，垂直方向上熱膨脹率為9.0ppm/K，熱導(dǎo)率為 270ff/m.K。
[0036]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料的制備方法，其特征在于，利用3D打印技術(shù)和擠壓浸潰技術(shù)，包括以下步驟: (1)將100?300目碳化娃粉末與500?1500目碳化娃粉末按兩種重量比分別混合均勻，得碳化硅粉末混合物A和B ; (2)將碳化硅粉末混合物A倒入預(yù)先設(shè)計(jì)好的3D打印模板中，干燥、燒結(jié)、去除模板，即得預(yù)制塊坯料； (3)將碳化硅粉末混合物B倒入預(yù)制塊坯料的孔隙，即得最終預(yù)制塊； (4)將最終預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱，澆入鋁合金熔體，施加壓力使得鋁合金熔體充滿預(yù)制塊里面的孔隙，高壓凝固、冷卻，即得結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料的制備方法，其特征在于，所述重量比為100目?300目碳化硅粉末比500目?1500目碳化硅粉末為3:1?6:1 ;所述混合采用機(jī)械混合方法。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料的制備方法，其特征在于，所述3D打印模板的結(jié)構(gòu)為三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、垂直圓柱結(jié)構(gòu)或垂直棱柱結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料的制備方法，其特征在于，所述干燥的溫度為80?120°C，燒結(jié)的溫度為500?800°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料的制備方法，其特征在于，所述預(yù)熱的溫度為400?550°C，鋁合金熔體的溫度為760V?800°C，壓力的施加方式為液壓，壓力的大小為10?30MPa。6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法制備的結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料，其熱膨脹率為7.0?9.0ppm/K,導(dǎo)熱率為230?280W/m.K。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料及制備方法，包含以下步驟：將不同粒徑的碳化硅粉末按照重量比混合均勻，得碳化硅粉末混合物；將一份粉末混合物倒入3D打印模板中，干燥、高溫?zé)Y(jié)得預(yù)制塊坯料；在其孔隙中灌入另一份碳化硅粉末混合物得預(yù)制塊；預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱，鋁合金熔體澆入模具中，在高壓作用下凝固，得到鋁碳化硅高導(dǎo)熱低膨脹基板材料。本發(fā)明采用3D打印法和擠壓浸漬技術(shù)，制備出結(jié)構(gòu)可控的高導(dǎo)熱低膨脹鋁碳化硅基板材料，熱膨脹率為7.0～9.0ppm/K，導(dǎo)熱率在230～280W/m.K。
【IPC分類】B28B1/00, B22D19/00
【公開號(hào)】CN105312536
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410345564
【發(fā)明人】蔡慶, 張亦杰, 馬乃恒, 王浩偉
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2014年7月18日