一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型设备及其方法与流程

本发明属于粉末冶金材料技术领域，具体涉及一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型设备及其方法。

背景技术：

现有大规模集成电路基板及大功率led灯基板主要采用氧化铝材料产品或者铜甚至铝基板，陶瓷基板具有与半导体芯片材料相当的热膨胀性能，但是其低导热的热学特性在设计功率越来越高的现代电子产品中，严重阻碍了芯片热量的散失，从而严重影响了电子产品的使用寿命和稳定性，据大功率led行业的测试，一般使用寿命只有1-2年左右，据10年的设计寿命相差甚远；铜或铝等金属基板正好相反，虽然有良好的散热效果，但是与芯片材料的热匹配严重失调，从而由于热应力疲劳破坏造成产品失效，据大功率led行业的测试，一般使用寿命只有半年左右，只有设计寿命的1/20。SiCp/Al复合材料由于综合了陶瓷的低膨胀和金属的高导热的优良热学性能，是一种理想的电子封装基板材料，在国外已经批量工业生产并投入使用，而国内还基本处于研发阶段。（特别加入）

SiCp/Al复合材料的性能尤其是热性能主要由碳化硅颗粒的含量决定：碳化硅含量提高，则材料的热膨胀系数降低，而导热性能和韧性相对变差，其含量可控制在20～90%；铝含量提高，则材料的导热性能和韧性提高，但热膨胀系数也提高。该金属基复合材料的导热性和重量都接近纯铝，并且可以将热膨胀系数值控制得相当于铝的30%～50%，以适应不同工况的需要。

碳化硅粉末价格低廉、来源广泛且具有优异的性能，热膨胀系数与芯片材料Si和GaAs相近，是一种非常理想的增强物。铝是一种常见的、低廉的金属材料，熔点低(660℃)，密度较小(2.7g/cm³ )，仅为钢铁的三分之一左右，在提高比强度、比模量上有很大潜力。SiCp/Al复合材料既保持了金属特有的良好韧性与导电、传热等特点，又具有陶瓷的耐高温性、耐腐蚀性、低热膨胀性，适应了轻质、低成本、高强度、高模量、耐腐蚀、耐磨损的要求，可被应用于航天航空、汽车、内燃机、国防及体育、光学仪器，以及微波、电力、电子(或光电子)器件封装中，对降低成本、减轻重量会起到积极的作用。此类材料的需求颇为巨大，市场前景广阔。

现有的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）一般采用液态工艺或者粉末冶金工艺制造。前者得到的材料中SiC的含量往往难以精确控制、SiC的分散均匀性也比较差，从而容易导致产品性能的分散性较大；后者现有工艺采用真空热压制造，由于抽真空环节导致生坯的放置及熟坯的取出极为不便，从而明显增加了产品生产周期，造成生产效率低下，不利于工业化生产，同时由于真空设备的使用，大大提高了设备成本、维护成本，以及人力成本，而热压烧结是粉末冶金工艺中一种常见的活化烧结方式，现有高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的粉末冶金制备工艺中，一般采用真空热压烧结，虽然得到的材料性能优良，但同时带来了低生产效率、高工艺成本、高维护成本、高人工成本等缺点，造成该方法不适于大规模生产，限制了由该方法制备电子封装基板产品的工业应用，尤其是广大的民用产品领域。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型设备及其方法，应用于粉末冶金材料及产品的研制及试制，特别是涉及集成电路基板、高功率led灯基板等低膨胀、高导热的SiCp/Al材料及基板样品的快速热压成型，该方法采用的大气条件下热压成型解决了上述粉末冶金工艺的诸多缺点，达到高生产效率和低生产成本的效果，为推广高性能电子封装基板SiCp/Al类产品应用提供有力的技术支持。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型设备，包括基座，基座通过立柱连接横梁，基座中间设有加压装置，加压装置通过调位垫块连接加热炉，加热炉上设有上压块，加热炉两端通过滑孔连接立柱，加热炉上端通过吊线由滑轮导向连接基座内的配重，立柱上设有上、下限位器，加热炉的滑孔位于上、下限位器之间。

所述的加热炉上表面通过两边对称的吊线分别连接基座内两配重。

所述的滑轨位于横梁上方。

所述的滑轨、吊线、上、下限位器、加热炉、配重组成快速升降加热系统；横梁、立柱和基座组成刚性框架；加压装置、调位垫块和上压块组成加压系统。

一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）混粉：SiC选用14～63μm磨料级绿色碳化硅粉末；Al选用工业纯铝粉，或合金粉，粒度约为100μm，而且成分中不需任何粘结剂，将SiC颗粒与Al粉或Al合金粉末按体积比为：（20～90%)：（80～10%)均匀混合；

2）冷压成形：将步骤1）混合均匀的SiC/Al粉末放入钢制模具中，并在原料外层引入一纯铝粉薄层，在400MPa应力下加压成形；

3）热压烧结：在大气压条件下，将冷压成形后的SiC/Al放入石墨模具中，采用热压烧结技术进行烧结，烧结工艺为：加热温度为500～700℃，施加的压力为1～40MPa，达到烧结温度后保温5-10分钟，脱出膜腔，即制得了SiCp（20～90%) /Al电子封装材料。

所述的热压烧结具体步骤如下：

1）试样的快速安放与取出，通过成型设备载荷调整和控制由刚性框架和加压系统共同实现，由调位垫块和加压装置调整模具及试处于合适的高度，通过配重、滑轮、加热炉和吊线快速移至上、下限位的上限位，将模具及试样置于垫块上，通过加压装置使模具及试样处于热压位置并施加工艺压力，试样取出时，则将加热炉移回最高位置，卸载并将模具及试样移至加热炉外合适位置；

2）试样的快速加热与冷却，模具及试样通过加热炉的位置调整加热，并通过位置调整快速降温，根据试样在炉外不同位置实现；

3）热压气氛调整，对于需要气体保护的热压过程，通过对管式加热炉的简单改造，实现氮气、氩气等惰性气体保护热压。

本发明的有益效果是：

本方法主要包括混粉、冷压成形、热压烧结三个工艺环节，其中原材料中不含塑性成形剂（为有机物，常规粉末冶金工艺中额外加入），避免了烧结过程中的二次污染；冷压成形时冷坯外面包覆薄层纯铝层，SiCp/Al材料在氧化性条件下烧结时，正是由于纯铝的包覆在坯体表面形成了一层致密的氧化铝薄膜，阻碍了氧扩散进入坯体内部造成内氧化；因此，热压烧结时不需要真空环境，而是在大气条件下即可进行。另外，本发明快速热压成型工艺使复合材料金属基体处于高变形状态，甚至熔融态，从而大大降低热压压力，只有常规热压压力（100～200MPa）的10-25%，从而大大降低了对压机吨位的要求；或者，在使用相同吨位的压机，一次可以热压4-10个以上的粉末冶金坯体，至少是常规热压工艺效率的4倍以上。利用本工艺可以加工制造SiCp/Al长棒或柱状坯料，利用现用陶瓷基板零件的生产设备、采用类似生产工艺进行后续加工，具体是通过切片机机械切割加工得到指定厚度的片状坯料，然后利用钻孔设备加工出基板产品所规定的孔类附属结构，最后通过磨削加工得到基板产品；本工艺还可以直接加工制备指定厚度的片状坯料，从而减少上述切片工序，直接打孔、磨制得到基板产品。而且，利用该装置制备出的电子封装基板材料的主要热性能不明细低于液态法和真空热压粉末冶金工艺所制备的材料，完全能满足电子封装材料的要求，十分适于电子封装用高碳化硅含量铝基复合材料的大批量工业化生产。本设备快速热压成型包括几个方面：1）对试样及模具的操作均在加热炉外进行，避免了其他热压工艺在炉内操作的不便的缺点；2）快速加热由保温良好的管式加热炉实现；3）快速冷却则是通过将模具及试样移出加热炉，空冷实现，并根据距加热炉不同距离在一定范围内调整冷却速率，大大缩短了试样的冷却时间，从而提高效率，相对真空热压工艺尤为显著。通过本设备，可以将现有真空热压6～10小时左右（热压时间设定为15～30分钟）的工艺过程缩短至1个小时左右，得到试样的基本性能，包括致密度、导热系数和热膨胀系数等相当。

具体有点优点在于：

①电子封装基板材料要求的热学性能可以通过成分设计进行调整；

②碳化硅颗粒的含量可以需要精确控制；

③原材料均为市售工业用粉，来源广泛、成本低廉；

④热压过程一般在大气条件下进行，避免了真空环节。因此，本方法具有工艺简单、流程短、效率高、成本低的特点，十分适于工业化大规模生产。

附图说明

图1为本发明的快速热压成型系统机构示意图。

图2为本发明的成型方法示意图

其中，1为滑轨；2为吊线；3为横梁；4为上、下限位器；5为立柱；6为加热炉；7为加压装置；8为基座；9为配重；10为调位垫块；11为模具及试样；12为上压块。

具体实施方式

以下结合附图对发明进一步叙述。

如图1所示，一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型设备，包括基座8，基座8通过立柱5连接横梁3，基座8中间设有加压装置7，加压装置7通过调位垫块10连接加热炉6，加热炉6上设有上压块12，加热炉6两端通过滑孔连接立柱5，加热炉6上端通过吊线2由滑轮1导向连接基座8内的配重9，立柱5上设有上、下限位器4，加热炉6的滑孔位于上、下限位器4之间。

所述的加热炉6上表面通过两边对称的吊线分别连接基座8内两配重9。

所述的滑轨1位于横梁3上方。

所述的滑轨1、吊线2、上、下限位器4、加热炉6、配重9组成快速升降加热系统；横梁3、立柱5和基座8组成刚性框架；加压装置7、调位垫块10和上压块12组成加压系统。

如图2所示，一种低膨胀、高热导的SiCp/Al复合材料的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）混粉：SiC选用14～63μm磨料级绿色碳化硅粉末；Al选用工业纯铝粉，或合金粉，粒度约为100μm，而且成分中不需任何粘结剂，将SiC颗粒与Al粉或Al合金粉末按体积比为：（20～90%)：（80～10%)均匀混合；

2）冷压成形：将步骤1）混合均匀的SiC/Al粉末放入钢制模具中，并在原料外层引入一纯铝粉薄层，在400MPa应力下加压成形；

3）热压烧结：在大气压条件下，将冷压成形后的SiC/Al放入石墨模具中，采用热压烧结技术进行烧结，烧结工艺为：加热温度为500～700℃，施加的压力为1～40MPa，达到烧结温度后保温5-10分钟，脱出膜腔，即制得了SiCp（20～90%) /Al电子封装材料。

所述的热压烧结具体步骤如下：

1）试样的快速安放与取出，通过成型设备载荷调整和控制由刚性框架和加压系统共同实现，由调位垫块和加压装置调整模具及试处于合适的高度，通过配重9、滑轮1、加热炉6和吊线2快速移至上、下限位4的上限位，将模具及试样11置于垫块10上，通过加压装置7使模具及试样11处于热压位置并施加工艺压力，试样取出时，则将加热炉6移回最高位置，卸载并将模具及试样11移至加热炉6外合适位置；

2）试样的快速加热与冷却，模具及试样11通过加热炉6的位置调整加热，并通过位置调整快速降温，根据试样在炉外不同位置实现；

3）热压气氛调整，对于需要气体保护的热压过程，通过对管式加热炉的简单改造，实现氮气、氩气等惰性气体保护热压。