结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明复合材料领域，具体涉及一种结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料及制备方法。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，电力电子器件正沿着大功率化、高频化的方向发展，其中IGBT功率模块集成度的不断提高，功率不断增大，使得工作温度不断上升，对基板的散热提出更高要求。铝、铜作为基板材料具有高的导热率，但是其膨胀率较高，导致工作温度变化时，基板与焊接元器件之间的脱离，造成设备失效。因此基板材料需要较低的密度、较低的膨胀率和较高的导热率。为了满足基板性能的要求，高体积分数的碳化硅铝基复合材料具有较高的导热率和较低的膨胀率，成为理想的IGBT模块基板材料。
[0003]目前，高体积分数碳化硅铝基复合材料通过挤压浸渗方法制备，在压力作用下将液态招挤入碳化娃预制块中以形成高体积分数碳化娃招基复合材料。R.Arpon(ActaMater.51 (2003)3145-3156)> J.M.Molina (Materials Science and EngineeringA480 (2008) 483-488)等，通过预制块制备的碳化硅铝基复合材料其热膨胀率为7.8?10.8ppm/K,导热率在150?220W/m.K。其导热率偏低，不能满足高功率IGBT模块对散热性能的要求。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料及制备方法。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]第一方面，本发明利用3D打印技术和挤压浸溃技术提供一种结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料的制备方法，包括以下步骤:
[0007](1)将100?300目碳化硅粉末与500?1500目化硅粉末按两种重量比分别混合均匀，得碳化硅粉末混合物A和B ;
[0008](2)将碳化硅粉末混合物A倒入预先设计好的3D打印模板中，干燥、烧结、去除模板，即得预制块坯料；
[0009](3)将碳化硅粉末混合物B倒入步骤(2)制得的预制块坯料孔隙，即得最终预制块；
[0010](4)将最终预制块放入模具中预热，浇入铝合金熔体，施加压力使得铝合金熔体充满预制块里面的孔隙，高压凝固、冷却，即得结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料。
[0011]其中，所述步骤(1)中重量比可以相同，也可以不同。
[0012]优选地，所述步骤(1)中重量比为100?300目碳化硅粉末比500?1500目碳化石圭粉末为3:1?6:1 ;所述混合米用机械混合方法。
[0013]优选地，所述步骤(2)中3D打印模板的结构为三维互穿网络结构、垂直圆柱结构或垂直棱柱结构。
[0014]优选地，所述步骤⑵中干燥的温度为80?120°C，烧结的温度为500?800°C。
[0015]优选地，所述步骤(4)中预热温度为400?550°C，铝合金熔体温度为760 V?800°C，压力施加方式为液压，压力大小为10?30MPa。
[0016]第二方面，本发明提供一种结构可控的高导热、低膨胀铝碳化硅基板材料，其热膨胀率为7.0?9.0ppm/K,导热率为230?280ff/m.K。
[0017]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0018]本发明采用3D打印技术可以得到结构可控的碳化硅预制块，实现不同性能高导热铝碳化硅复合材料的结构设计，其膨胀系数为7.0?9.0ppm/K、导热率为230?280W/m.Ko
【附图说明】
[0019]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0020]图1为垂直圆柱结构。
[0021]图2为三维互穿网络结构。
[0022]图3为垂直棱柱结构。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0024]实施例1
[0025]本实施例涉及一种结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料及制备方法，具体步骤包括:
[0026]将600克300目的碳化硅粉末和100克1500目的碳化硅粉末通过机械的方式混合均匀；将其倒入三维互穿网络结构模板中(见图1)，在120°c下干燥，将该预制件放入热处理炉500°C进行烧结，使得模板燃烧同时得到具有一定的强度碳化硅预制件坯料；将300克200目的碳化娃粉末和100克1000目的碳化娃粉末通过机械的方式混合均勻，倒入上一步烧结后的预制块中使其充满孔隙；将充填紧实的预制块放入模具中预热至550°C，浇入初始温度为800°C铝合金，并使得其在压力为lOMPa液压作用下浸渗并凝固，脱模后得到铝碳化娃闻导热基板材料。
[0027]将所得的铝碳化硅基板材料进行热膨胀率和热导率测试，热膨胀率为7.0ppm/K,热导率为230W/m.K。
[0028]实施例2
[0029]本实施例涉及一种结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料及制备方法，具体步骤包括:
[0030]将500克200目的碳化硅粉末和100克1000目的碳化硅粉末通过机械的方式混合均匀，将其倒入垂直圆柱结构模板之中(见图2)，在100°C下干燥，将该预制件放入热处理炉650°C进行烧结，使得模板燃烧同时得到具有一定的强度碳化硅预制件坯料，将500克300目的碳化硅粉末和100克500目的碳化硅粉末通过机械的方式混合均匀，倒入上一步烧结后的预制块中使其充满孔隙，将充填紧实的预制块放入模具中预热至475°C，浇入初始温度为780°C铝合金，并使得其在压力为20MPa液压作用下凝固，脱模后得到铝碳化硅高导热基板材料。
[0031]将所得的铝碳化硅基板材料进行热膨胀率和热导率测试，圆柱轴线方向上热膨胀率为8.0ppm/K，热导率为250W/m.K。
[0032]实施例3
[0033]本实施例涉及一种结构可控的高导热、低膨胀铝碳化硅基板材料及制备方法，具体步骤包括:
[0034]将600克100目的碳化娃粉末和200克500目的碳化娃粉末通过机械的方式混合均匀，将其灌入垂直棱柱结构模板之中(见图3)，在80°C下干燥，将该预制件放入热处理炉800°C进行烧结，使得模板燃烧同时碳化硅预制件具有一定的强度，使得模板燃烧同时得到具有一定的强度碳化硅预制件坯料，将600克400目的碳化硅粉末和200克1500目的碳化硅粉末通过机械的方式混合均匀，倒入上一步烧结后的预制块中使其充满孔隙，将充填紧实的预制块放入模具中预热至400°C，浇入初始温度为760°C铝合金，并使得其在压力为30MPa液压作用下凝固，脱模后得到铝碳化硅高导热基板材料。
[0035]将所得的铝碳化硅基板材料进行热膨胀率和热导率测试，垂直方向上热膨胀率为9.0ppm/K，热导率为 270ff/m.K。
[0036]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料的制备方法，其特征在于，利用3D打印技术和挤压浸溃技术，包括以下步骤: (1)将100?300目碳化娃粉末与500?1500目碳化娃粉末按两种重量比分别混合均匀，得碳化硅粉末混合物A和B ; (2)将碳化硅粉末混合物A倒入预先设计好的3D打印模板中，干燥、烧结、去除模板，即得预制块坯料； (3)将碳化硅粉末混合物B倒入预制块坯料的孔隙，即得最终预制块； (4)将最终预制块放入模具中预热，浇入铝合金熔体，施加压力使得铝合金熔体充满预制块里面的孔隙，高压凝固、冷却，即得结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料。2.根据权利要求1所述的结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料的制备方法，其特征在于，所述重量比为100目?300目碳化硅粉末比500目?1500目碳化硅粉末为3:1?6:1 ;所述混合采用机械混合方法。3.根据权利要求1所述的结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料的制备方法，其特征在于，所述3D打印模板的结构为三维互穿网络结构、垂直圆柱结构或垂直棱柱结构。4.根据权利要求1所述的结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为80?120°C，烧结的温度为500?800°C。5.根据权利要求1所述的结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为400?550°C，铝合金熔体的温度为760V?800°C，压力的施加方式为液压，压力的大小为10?30MPa。6.一种根据权利要求1所述制备方法制备的结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料，其热膨胀率为7.0?9.0ppm/K,导热率为230?280W/m.K。
【专利摘要】本发明提供了一种结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料及制备方法，包含以下步骤：将不同粒径的碳化硅粉末按照重量比混合均匀，得碳化硅粉末混合物；将一份粉末混合物倒入3D打印模板中，干燥、高温烧结得预制块坯料；在其孔隙中灌入另一份碳化硅粉末混合物得预制块；预制块放入模具中预热，铝合金熔体浇入模具中，在高压作用下凝固，得到铝碳化硅高导热低膨胀基板材料。本发明采用3D打印法和挤压浸渍技术，制备出结构可控的高导热低膨胀铝碳化硅基板材料，热膨胀率为7.0～9.0ppm/K，导热率在230～280W/m.K。
【IPC分类】B28B1/00, B22D19/00
【公开号】CN105312536
【申请号】CN201410345564
【发明人】蔡庆, 张亦杰, 马乃恒, 王浩伟
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2014年7月18日