含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉及其制備方法，屬于半導體激光器芯片封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有技術(shù)中的復合熱沉陶瓷顆粒與金屬基體界面結(jié)合不干凈，制備方法能耗大、成本高的問題。該Al熱沉由10–90vol.％的Al和10–90vol.％的雙相陶瓷顆粒組成，其中，雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。該Al熱沉熱膨脹系數(shù)較低且具有較好的導熱性能，能夠滿足半導體激光器芯片封裝和散熱的要求；另外，該Al熱沉的制備方法采用廉價的B4C粉代替昂貴的B粉制備硼化物陶瓷顆粒，顯著的降低了成本，且制備工藝簡便、能耗低，易于推廣應用。
【專利說明】 含有雙相陶瓷顆粒的AI熱沉及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體激光器芯片封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]半導體激光器芯片散熱用的熱沉主要有金屬和陶瓷兩大類。金屬熱沉如Cu和A1等具有良好的導熱能力，然而其熱膨脹系數(shù)較大，與半導體激光器芯片的熱膨脹系數(shù)不匹配，在使用過程中易產(chǎn)生應力集中，降低激光器的使用壽命。而陶瓷熱沉雖然熱膨脹系數(shù)較低，但是其導熱系數(shù)通常較差，不利于激光器散熱，同樣會降低半導體激光器的使用壽命。
[0003]如果將陶瓷顆粒加入金屬熱沉中，使熱沉同時具有金屬與陶瓷的特性，即:具有高導熱、低膨脹的特點，就可以滿足半導體激光器芯片封裝與散熱的需求?，F(xiàn)有技術(shù)中，已有研宄者將Sic和金剛石等陶瓷顆粒加入金屬中制備熱沉。但是制備這種熱沉的方法通常為外加法，即將金剛石顆粒或SiC顆粒加入熔融的金屬中攪拌，所以制備的熱沉中的陶瓷顆粒與金屬基體界面結(jié)合不干凈，不利于其導熱系數(shù)的提高。另外，外加法制備這種熱沉的溫度通常需要高于金屬的熔點，能耗大，制備成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中的復合熱沉陶瓷顆粒與金屬基體界面結(jié)合不干凈，制備方法能耗大、成本高的技術(shù)問題，提供一種含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉及其制備方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下。
[0006]含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，由10 - 90vol.%的A1和10 - 90vol.%的雙相陶瓷顆粒組成，所述雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。
[0007]優(yōu)選的是，所述過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
[0008]含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的制備方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、將10 - 90vol.%的A1粉與10 - 90vol.%的混合粉料加入混料機中，混合均勻后，加入模具中，壓制成型，得到壓坯；
[0010]所述混合粉料為過渡族金屬元素粉與b4c粉的混合粉料，混合粉料中過渡族金屬元素粉與B4c粉的物質(zhì)的量比為3:1，過渡族金屬元素粉料的粒度小于等于25 ym，B4C粉的粒度小于等于5 μπι ;
[0011]所述Α1粉的粒度小于等于50 μπι ;
[0012]步驟二、將步驟一得到的壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，對燒結(jié)爐抽真空后，將燒結(jié)爐加熱到200°C保溫20min以上；
[0013]步驟三、將燒結(jié)爐繼續(xù)加熱至580°C，保溫至壓坯中的粉料發(fā)生反應；
[0014]步驟四、對反應后的壓坯施加30MPa_60MPa的壓力，保壓10s以上，得到含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉。
[0015]優(yōu)選的是，所述步驟一中，所述過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
[0016]優(yōu)選的是，所述步驟一的混合時間為6h以上，混料機的轉(zhuǎn)速為10-60r/min。
[0017]優(yōu)選的是，所述步驟一的混合時間為6_8h。
[0018]優(yōu)選的是，所述步驟二中，保溫20-30min。
[0019]優(yōu)選的是，所述步驟三中，保溫時間為5-10min。
[0020]優(yōu)選的是，所述步驟二和步驟三中，壓坯的溫度通過鎢錸熱電偶監(jiān)控。
[0021]優(yōu)選的是，所述步驟四中，保壓10-20s。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0023]1、本發(fā)明含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉中生成的雙相陶瓷顆粒和A1基體為冶金結(jié)合，界面干凈，結(jié)合良好，具有低膨脹、高導熱的性能，其熱膨脹系數(shù)可以達到9.37 X 10_6/K，導熱系數(shù)可以達到163W.πΓ1.Γ1，滿足大功率半導體激光器芯片封裝與散熱需求，能夠用于大功率半導體激光器芯片封裝與散熱；
[0024]2、本發(fā)明含有雙相陶瓷顆粒的Α1熱沉內(nèi)的陶瓷顆粒(碳化物和硼化物)采用原位內(nèi)生制備，熱沉的制備過程中，廉價的B4c粉代替昂貴的Β粉作為Β源，制備出具有高導熱、低膨脹的含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，顯著的降低了成本；
[0025]3、本發(fā)明含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的制備方法中，由于加熱過程中，在較低溫度下(580°C )A1粉與過渡族金屬元素(Ti/Zr/Nb/Ta)粉會發(fā)生固固反應，反應過程中釋放出的熱量會進一步瞬間引燃整個反應體系，所以本方法制備A1熱沉的制備溫度為580°C，制備溫度低，降低能耗，節(jié)約成本，且一次成型，制備工藝簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明實施例1制備的含有50vol.% TiC-TiBj^ A1熱沉的X-射線衍射圖譜；
[0027]圖2為從本發(fā)明實施例1制備的Α1熱沉中萃取的雙相陶瓷顆粒在場發(fā)射電鏡下的形貌。

【具體實施方式】
[0028]為了進一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為了進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0029]含有雙相陶瓷顆粒的Α1熱沉，由10 - 90vol.%的A1和10 - 90vol.%的雙相陶瓷顆粒組成，其中，雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。過渡族金屬元素優(yōu)選為T1、Zr、Nb或者Ta，即雙相陶瓷顆粒為TiBjP TiC的混合物、ZrB# ZrC的混合物、NbB 2和NbC的混合物、TaB 2和TaC的混合物中的一種。該含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的熱膨脹系數(shù)可以達到9.37X 10_6/K，導熱系數(shù)可以達到163W.πΓ1.Κ'
[0030]上述含有雙相陶瓷顆粒的Α1熱沉的制備方法，主要包括壓坯制備和燒結(jié)制備熱沉兩個階段，燒結(jié)制備熱沉分為預熱、反應和致密化三個過程，具體包括以下步驟:
[0031]步驟一、壓坯制備:
[0032]將10 - 90vol.%的A1粉與10 - 90vol.%的混合粉料加入混料機中，混合均勻后，加入不銹鋼模具中，壓制成型，得到壓坯；
[0033]其中，混合粉料為過渡族金屬元素(Me)粉與B4C粉的混合粉料，由反應方程式:3Me+B4C = 2MeB2+MeC可知，混合粉料中過渡族金屬元素粉料與B4C粉的物質(zhì)的量比為3:1，生成的硼化物與碳化物陶瓷顆粒的摩爾比為2:1 ;過渡族金屬元素粉料的粒度小于等于25 ym，B4C粉的粒度小于等于5 μπι，Α1粉的粒度小于等于50 μ m，粒度越小粉料的擴散速度越快，越容易發(fā)生反應，反應越完全，如果粉料粒度大于上述尺寸，由于固固擴散速率較低，會導致后期加熱過程中粉料之間反應不完全，也就無法制備本發(fā)明的熱沉;A1粉、過渡族金屬元素粉料(Ti粉、Zr粉、Nb粉、Ta粉等)和B4C粉的純度皆大于99%，沒有其他特殊限制，可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知方式獲得；
[0034]混料均勻一般需要6h以上，其中混料機的轉(zhuǎn)速為10-60r/min，考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率，一般混合6-8h，混料時間如果低于6h，將混料不均勻，制備的熱沉的不同位置的熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)會出現(xiàn)偏差；
[0035]步驟二、預熱:
[0036]將步驟一制備的壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，對燒結(jié)爐抽真空后，將燒結(jié)爐加熱到200°C進行預熱保溫20min以上；
[0037]其中，預熱能夠使壓坯溫度與燒結(jié)爐的溫度一致，有利于壓坯后期反應完全，可以通過鎢錸熱電偶監(jiān)控的壓坯溫度，預熱20min以后壓坯溫度與燒結(jié)爐的溫度能夠達到一致，考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率，預熱時間一般為20-30min ；
[0038]步驟三、反應:
[0039]將燒結(jié)爐繼續(xù)加熱至580°C保溫，至壓坯中的粉料發(fā)生反應，一般需保溫5-10min ；
[0040]其中，可以通過鎢錸熱電偶監(jiān)控的壓坯溫度，在燒結(jié)爐的溫度保持580 V不變的過程中，壓坯溫度一直是緩慢增加，當發(fā)現(xiàn)鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，突然快速提高指壓坯溫度一般在幾秒內(nèi)(通常2s)由580°C以下升到1000°C以上，證明壓坯中的粉料之間發(fā)生了反應；
[0041]步驟四、致密化:
[0042]壓坯中的粉料發(fā)生反應后，立即對壓坯施加30MPa_60MPa的壓力，保壓10s以上，使反應后的壓坯致密化，得到含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉；
[0043]其中，壓坯中的粉料發(fā)生反應瞬間(Is)就完成的；如果壓力和時間小于上述范圍值，會導致制備的熱沉不致密，壓力大于上述范圍值會使熱沉產(chǎn)生裂紋，考慮生產(chǎn)效率和成本，保壓時間一般為10-20s ；
[0044]本發(fā)明實施例中熱沉膨脹系數(shù)的測量采用GB/T 16535-2008，導熱系數(shù)測試采用GB/T 3651-2008。
[0045]本發(fā)明的雙相陶瓷顆粒的A1熱沉可以用于半導體激光器芯片的散熱與封裝，其具體應用方法與現(xiàn)有技術(shù)中的熱沉應用方法相同，一般熱沉按照尺寸20mm X 20mm X 8mm進行精密加工，鍍金后用于半導體激光器芯片焊接。
[0046]以下結(jié)合實施例及附圖進一步說明本發(fā)明。
[0047]實施例1
[0048]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:50vol.%的么1和50vol.%的TiB2 - TiC (TiB2和TiC的物質(zhì)的量比為2:1)。
[0049]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的制備方法:
[0050]步驟一、將36.78g粒度為50 μπι的A1粉、45.52g粒度為25 μπι的Ti粉及17.70g粒度為5 μπι的B4C粉裝入混料機中混料6h，使之混合均勻；然后把粉料放入不銹鋼模具中，壓制成坯；
[0051]步驟二、將壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，抽真空后，將燒結(jié)爐加熱到200°C預熱保溫20min ；
[0052]步驟三、預熱后繼續(xù)加熱燒結(jié)爐至580°C保溫，保溫5min后，發(fā)現(xiàn)鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發(fā)生了反應；
[0053]步驟四、在反應結(jié)束后，對反應壓坯立即施加30MPa的壓力，保壓10s，制備出含有50vol.% TiB2 - TiC 顆粒的 A1 熱沉。
[0054]圖1為實施例1制備的A1熱沉的X射線衍射圖譜，從圖1可以看出，實施例1制備的熱沉由Al、TiC和TiB2相組成，說明本發(fā)明反應比較完全，產(chǎn)物比較純凈。
[0055]圖2為實施例1制備的A1熱沉中的陶瓷顆粒在場發(fā)射電鏡下的形貌，其中，尺寸較大且近球形的陶瓷顆粒為TiC顆粒，尺寸較小且呈六棱柱狀的陶瓷顆粒為TiB2顆粒。從圖2可以看出，A1熱沉中的陶瓷顆粒界面干凈。
[0056]實施例1制備的含有50vol.% TiB2 - TiC陶瓷顆粒的A1熱沉的熱膨脹系數(shù)為9.37X10_6/K，導熱系數(shù)為deSW.m'r1，滿足半導體激光器芯片焊接的要求。
[0057]實施例2
[0058]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:90vol.%的A1和10vol.% ZrB2 - ZrC(ZrB2和ZrC的物質(zhì)的量比為2:1)。
[0059]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的制備方法:
[0060]步驟一、將79.53g粒度為45 μπι的Α1粉、16.99g粒度為20 μπι的Zr粉及3.48g粒度為3.5 μ m的B4C粉裝入混料機中混料7h ;然后把粉料放入不銹鋼模具中，壓制成坯；
[0061]步驟二、將壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，抽真空后，將燒結(jié)爐加熱到200°C預熱保溫25min ；
[0062]步驟三、預熱后繼續(xù)加熱至580°C保溫，保溫7.5min后，發(fā)現(xiàn)鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發(fā)生了反應；
[0063]步驟四、在反應結(jié)束后，對反應壓坯立即施加50MPa的壓力，保壓20s，制備出含有10vol.% ZrB2 - ZrC 顆粒的 A1 熱沉。
[0064]實施例3
[0065]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:10vol.%的么1和90vol.%的NbB2 - NbC (NbB2和NbC的物質(zhì)的量比為2:1)。
[0066]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的制備方法:
[0067]步驟一、將3.98g粒度為25 μπι的Α1粉、79.96g粒度為20 μπι的Nb粉及16.0lg粒度為3.5 μ m的B4C粉裝入混料機中混料8h ;然后把粉料放入不銹鋼模具中，壓制成坯；
[0068]步驟二、將壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，抽真空后，將燒結(jié)爐加熱到200°C預熱保溫30min ；
[0069]步驟三、預熱后繼續(xù)加熱至580°C保溫，保溫6min后，發(fā)現(xiàn)鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發(fā)生了反應；
[0070]步驟四、在反應結(jié)束后，對反應壓坯立即施加60MPa的壓力，保壓10s，制備出含有90vol.% NbB2 - NbC 粒的 A1 熱沉。
[0071]實施例4
[0072]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:40vol.%的八1和60vol.%的TaB2 - TaC (TaB2和TaC的物質(zhì)的量比為2:1)。
[0073]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的制備方法:
[0074]步驟一、將18.33g粒度為25 μ m的A1粉、62.37g粒度為20 μ m的Ta粉及19.30g粒度為3.5 μ m的B4C粉裝入混料機中混料8h ;然后把粉料放入不銹鋼模具中，壓制成坯；
[0075]步驟二、將壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，抽真空后，將燒結(jié)爐加熱到200°C預熱保溫25min ；
[0076]步驟三、預熱后繼續(xù)加熱至580°C保溫，保溫6.5min后，發(fā)現(xiàn)鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發(fā)生了反應；
[0077]步驟四、在反應結(jié)束后，對反應壓坯立即施加50MPa的壓力，保壓10s，制備出含有60vol.% TaB2 - TaC 粒的 A1 熱沉。
[0078]顯然，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于所述【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉，其特征在于，由10- 90vol.%的Al和10 - 90vol.%的雙相陶瓷顆粒組成，所述雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉，其特征在于，所述過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
3.含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、將10 - 90vol.%的Al粉與10 - 90vol.%的混合粉料加入混料機中，混合均勻后，加入模具中，壓制成型，得到壓坯； 所述混合粉料為過渡族金屬元素粉與B4C粉的混合粉料，混合粉料中過渡族金屬元素粉與B4C粉的物質(zhì)的量比為3:1，過渡族金屬元素粉料的粒度小于等于25 ym，B4C粉的粒度小于等于5 μπι ; 所述Al粉的粒度小于等于50 μ m ; 步驟二、將步驟一得到的壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，對燒結(jié)爐抽真空后，將燒結(jié)爐加熱到200°C保溫20min以上； 步驟三、將燒結(jié)爐繼續(xù)加熱至580°C，保溫至壓坯中的粉料發(fā)生反應； 步驟四、對反應后的壓坯施加30MPa-60MPa的壓力，保壓1s以上，得到含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，所述步驟一中，過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，所述步驟一的混合時間為6h以上，混料機的轉(zhuǎn)速為10-60r/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，所述步驟一的混合時間為6-8h。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，所述步驟二中，保溫20-30min。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，所述步驟三中，保溫時間為5-10min。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，所述步驟二和步驟三中，壓坯的溫度通過鎢錸熱電偶監(jiān)控。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的制備方法，其特征在于，所述步驟四中，保壓10-20S。
【文檔編號】H01S5/024GK104475732SQ201410706224
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】舒世立, 佟存柱, 汪麗杰, 田思聰, 寧永強, 王立軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所