专利名称：一种箱式结构热沉材料元件及其制备方法
技术领域：
:一种箱式结构热沉材料元件及其制备方法，属于高性能功能材料领域。管壁材料I和封接层材料2采用低热膨胀系数的两相复合材料X/Y (5 25)wt%构成，X为金属粘结相(Al，Cu，Ag中的一种):Y为增强相(SiCp，W，Mo，金刚石中的一种)。散热面4采用高热导率的两相复合材料X/Y (45^100) wt%构成，中间过渡层3采用介于封接层2与散热层4之间的两相复合材料X/Y(25 45)wt%构成。制备方法是将两相粉末材料按配比充分混合，之后采用层层铺装的方法，放入烧结模具之中，经2(T50MPa的压力预压实后，进行锻造烧结，烧结温度95(Tl080°C，压力3(TllOMPa，烧结时间2 5h。烧结产品经后续简单处理，获得箱式结构元件。优点在于材料利用率高，尺寸精度高，避免了管壁材料I与热沉材料中封接层2之间钎焊工艺,大大缩短制备流程。
背景技术：
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在微波功率器件中，要求热沉材料具有较高的导热性能，同时还要有低的热膨胀系数满足与基板材料和管壁材料实现良好的热匹配。金属基复合材料通过调节强化相的体积分数可以较好地满足上面的性能要求。其中强化相包括SiCp，W，Mo，金刚石等，基相包括Al，Cu，Ag等。随着微波功率器件功率大幅度增加和集成电路的集成度越来越高，均质的金属基复合材料很难满足要求，迫切需要一种新型高性能的散热材料，研究者提出了梯度热沉材料这一概念，这种材料在保证封接层与基板材料和管壁材料实现热匹配封接的同时，进一步提高了散热材料的导热性能。无论均质的金属基复合材料还是呈梯度结构变化的金属基复合材料作为热沉材料多呈片状结构，热沉材料与管壁材料一般采用钎焊的方法连接在一起形成箱式结构元件才能够实现对集成电路的封装。因此，热沉材料与管壁材料连接的牢固性和密封性对元件的性能有着很大的影响。锻造烧结方法是在粉末烧结的同时实现复杂结构件的成形，使管壁与热沉材料能够一次成形，并牢固地连接在一起，相比钎焊法能够获得更加牢固的箱式结构元件，同时也大大简化制备箱式结构元件的工艺流程，节省成本
发明内容
:本发明提供了一种箱式结构热沉材料元件及其制备方法。这种元件不通过钎焊工艺连接形成的箱式结构，且该元件底部的散热部分呈现梯度变化。制备方法是采用锻造烧结方法一次成型箱式结构热沉材料元件，提高管壁材料I与热沉材料中封接层2连接的牢固性和密封性，进而提高元件使用性能。使用该方法制备箱式结构元件的致密性达到近全致密的程度O 98%)，封接层2和管壁材料I具有低的热膨胀系数，实现了与基板材料很好的匹配。克服了传统方法的制备箱式结构热沉材料元件繁锁的工艺。本发明采用的方案是:I)根据需要设计封接层2和管壁材料1，中间过渡层3，散热层4的成分，其中封接层2和管壁材料I的组成成分为X/Y (5 25)被％，乂为金属粘结相(么1，(:1148中的一种):Y为增强相(SiCp，W，Mo，金刚石中的一种)。散热层4的组成成分为X/Y (45 100)wt%，中间过渡层3的组成成分为X/Y (25 45) wt%2)按照设计好的配比充分混合两种粉末，不加入任何烧结助剂，之后把混合粉末层层铺装在模具中，进行压实。3)将模具放在程控热压炉进行锻造烧结，烧结工艺参数为:烧结温度95(Tl080°C，压力30 110MPa，烧结时间2 5h。本发明的优点和积极效果，体现在:I)与传统制备箱式结构元件的工艺相比，避免了管壁材料I与热沉材料中封接层2钎焊连接,大大缩短工艺流程。2)该方法制备的箱式结构元件的管壁材料I和热沉材料中封接层2连接的更加牢固，且具有相同的热膨胀系数，抗热疲劳破坏的能力和更强，使用安全性能得到进一步的提闻。3)该方法制备的箱式结构元件底部散热部分仍然具有梯度结构变化，保持梯度热沉材料的较好的散热性能。
图1为箱式结构热沉材料元件示意图。图2为本发明制备的箱式元件样品外观。图3为箱式结构元件底部梯度结构形貌。图1、3中标示为:1_管壁，2-封接层，3-中间层，4-散热层。
具体实施例方式以制备箱式结构W-Cu热沉材料元件(如图1所示)为例:实验采用的W粉A和B的主要粒度分别为38.9 76.8 μ m和2.2 5.0ym,纯度大于99.9%，电解Cu粉平均粒度8.3 μ m，纯度大于99.5%。封接层和管壁材料设计为W/Cu20，中间过渡层为W/Cu33，散热层W/Cu50。I)封接层和管壁共称取1.858克W粉A，0.468克W粉B和0.585克Cu粉；中间层称取1.684克W粉B和0.83克Cu粉；散热层称取0.876克W粉B和0.876克Cu粉。将称取好的粉末充分混合配制成W/Cu20、W/Cu33和W/Cu50复合粉末。2)采用层层铺装的方法，将混合好的粉末，放入烧结模具之中，经2(T50MPa的压力预压实后，进行锻造烧结，烧结温度1060°C，压力85MPa，烧结时间3h。3)烧结产品经后续简单处理，获得箱式结构元件，如图2所示。优点在于材料利用率高，尺寸精度高，避免了管壁材料与热沉材料之间钎焊工艺，大大缩短制备流程。4)箱式结构W-Cu梯度热沉材料元件底部各层之间界面位清晰，各层的组织结构致密，如图3所示。
权利要求
1.一种箱式结构热沉材料元件及其制备方法，其特征在于: 1)根据需要设计封接层2和管壁材料1，中间过渡层3，散热层4的成分，其中封接层2和管壁材料I的组成成分为X/Y (5^25) wt%, X为金属粘结相(Al，Cu，Ag中的一种):Y为增强相(SiCp，W，Mo，金刚石中的一种)，散热层4的组成成分为X/Y (45 100) wt%，中间过渡层3的组成成分为X/Y (25 45) wt% ； 2)按照设计好的配比充分混合两种粉末，不加入任何烧结助剂，之后把混合粉末层层铺装在模具中，进行压实； 3)将模具放在程控热压炉进行锻造烧结，烧结工艺参数为:烧结温度95(T108(TC，压力3(Tl IOMPa,烧结时间2飞h，之后随炉冷却，获得组织致密的箱式结构热沉材料元件。
2.按照权利要求1所述的一种箱式结构热沉材料元件及其制备方法，其特征在于:这种元件不通过钎焊工艺连接形成的箱式结构，且该元件底部的散热部分呈现梯度变化；使用该方法制备箱式结构元件的致密性达到近全致密的程度O 98%)，封接层2和管壁材料I具有低的热膨胀系数，实现了与基板材料很好的匹配，克服了传统方法的制备箱式结构热沉材料元件繁锁的 工艺。
全文摘要
一种箱式结构热沉材料元件及其制备方法，属于高性能功能材料领域。管壁材料1和封接层材料2采用低热膨胀系数的两相复合材料X/Y(5~25)wt%构成，X为金属粘结相(Al，Cu，Ag中的一种)Y 为增强相(SiCp，W，Mo，金刚石中的一种)。散热面4采用高热导率的两相复合材料X/Y(45~100)wt%构成，中间过渡层3采用介于封接层2与散热层4之间的两相复合材料X/Y(25~45)wt%构成。制备方法是将两相粉末材料按配比充分混合，之后采用层层铺装的方法，放入烧结模具之中，经预压实后，进行锻造烧结。烧结产品经后续简单处理，获得箱式结构元件。本发明的优点材料利用率高，尺寸精度高，避免了管壁材料1与热沉材料中封接层2之间钎焊工艺，大大缩短制备流程。
文档编号H01L23/06GK103208463SQ20131014386
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者刘彬彬 申请人:湖南大学