一种铝基金刚石igbt散热基板材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板包括三层，分别为：细颗粒金刚石/铝复合层?粗颗粒金刚石/铝复合层?细颗粒金刚石/铝复合层，所述细颗粒金刚石/铝复合层和粗颗粒金刚石/铝复合层分别包括两层，两层的金刚石颗粒含量不同，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2?5μm，粗颗粒金刚石的粒径大小为20?30μm。本发明还公开了该散热基板材料的制备方法。该铝基金刚石IGBT散热基板材料散热性好，表面粗糙度低，且其焊接性能好。
【专利说明】
一种铝基金刚石IGBT散热基板材料及其制备方法
技术领域
:
[0001]本发明涉及复合材料技术领域，具体的涉及一种铝基金刚石IGBT散热基板材料。【背景技术】:
[0002]随着集成电路的功率和集成度提高，芯片单位面积的发热量也在不断增大。同时随着大功率模块的发展壮大，散热问题是影响其性能寿命的致命因素之一，因此解决集成电路系统散热问题的重要手段之一是进行合理的电子封装和热设计，如采用散热器或液体冷却系统;但是，这些方法也不能解决根本问题，部件成本却因此增加。最有效解决散热问题的方法是采用低热膨胀系数，高导热系数，质轻的新一代电子封装材料，因为这可以从根本上解决合理化的冷却系统问题。
[0003]新型电子封装材料主要是复合材料类，特别例如金属基复合材料中最受关注的包括碳化硅/铝、金刚石/铝、金刚石/铜等。而碳化硅铝虽然具有成本低、后续加工简单等特点，但是就散热效率、热膨胀系数和密度的综合考虑，金刚石/铝复合材料始终是高效、节能、稳定的首选。
[0004]IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，虽然其比同类型的产品更具有优势，但随着其单位面积发热量增大，相关电子元器件因为温度过高失效的问题始终难以解决，且其焊接性能不好，焊层容易脱落。
【发明内容】
:
[0005]本发明的目的是提供一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该基板散热性好，表面粗糙度低，且其焊接性能好。
[0006]本发明的另一个目的是提供该铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板包括三层，分别为:细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层，所述细颗粒金刚石/铝复合层和粗颗粒金刚石/铝复合层分别包括两层，两层的金刚石颗粒含量不同，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2-5μηι，粗颗粒金刚石的粒径大小为20-30μηι。
[0009]作为上述技术方案的优选，所述细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.5-lmm，粗颗粒金刚石/铝复合层的厚度壳根据制品所需厚度调整。
[0010]作为上述技术方案的优选，所述细颗粒金刚石/铝复合层和粗颗粒金刚石/铝复合层分别包括两层，上层金刚石的质量分数为60-70%，下层金刚石的含量为上层的一半。
[0011 ] 一种铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法，包括以下步骤:
[0012](I)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末；
[0013](2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，进行冷压成型，得到坯锭；
[0014](3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，进行热压成型，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理；
[0015](4)将经高温真空除气处理的坯锭进行热等静压致密化，成型为致密度为100%的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。
[0016]作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，冷压成型的压力为50_60MPa，冷压致密度为 70-90 %。
[0017]作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，热压成型热压温度为400-500°C，压力为45-70MPa，热压致密度为70 % -90 %。
[0018]作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，高温真空除气处理的除气温度为540-6200C，升温速度为20-50°C/h。真空度为0.45Pa以下，除气时间不超过28h。
[0019]作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，热等静压温度与高温真空除气处理温度保持一致，为540-620°C，压力为100-13010^，保温保压611。
[0020]作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所制得的铝基金刚石IGBT散热基板材料依次包括细颗粒金刚石含量为60-70%的细颗粒金刚石/Al复合层、细颗粒金刚石含量为30-35%的细颗粒金刚石/Al复合层、粗颗粒金刚石含量为60-70%的粗颗粒金刚石/Al复合层、粗颗粒金刚石含量为30-35%的粗颗粒金刚石/Al复合层、细颗粒金刚石含量为60-70%的细颗粒金刚石/Al复合层、细颗粒金刚石含量为30-35%的细颗粒金刚石/Al复合层。
[0021]本发明具有以下有益效果:
[0022](I)本发明采用粉末冶金工艺，金刚石颗粒的含量可以得到控制；
[0023](2)本发明采用热压技术使得坯锭热压致密度为70-90%，使用惰性气体保证粉末不会被氧化，在合适的温度下进行压制成型，可以让每层的残余应力都得到释放，不会出现层间裂纹；
[0024](3)本发明制得的铝基金刚石IGBT散热基板材料散热性能优异，耐磨、耐腐蚀性能好，其表面粗糙度低，大大减小了其与芯片接触由于表面粗糙度过高而导致的热阻。
【具体实施方式】
:
[0025]为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
[0026]实施例1
[0027]一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板依次包括金刚石含量为60%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为30%的细颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为60%的粗颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为30%的粗颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为60%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为30%的细颗粒金刚石/Al复合层，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2μπι，粗颗粒金刚石的粒径大小为20μπι，细颗粒金刚石/Al复合层的厚度为0.5mm;
[0028]其制备方法包括以下步骤:
[0029](I)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末；
[0030](2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，在压力为50MPa的压力下进行冷压成型，冷压致密度为70%，得到坯锭；
[0031](3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，在热压温度为400°C，压力为45MPa的条件下进行热压成型，热压致密度为70%，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理，高温真空除气处理的除气温度为540°C，升温速度为20°C/h。真空度为0.45Pa以下，除气时间不超过28h;
[0032](4)将经高温真空除气处理的坯锭在540°C，压力为10MPa的条件下进行热等静压致密化，保温保压6h，成型为致密度为100 %的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。
[0033]实施例2
[0034]一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板依次包括金刚石含量为70%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为35 %的细颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为70 %的粗颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为35%的粗颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为70%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为35%的细颗粒金刚石/Al复合层，所述细颗粒金刚石的粒径大小为5μπι，粗颗粒金刚石的粒径大小为30μπι，细颗粒金刚石/Al复合层的厚度为Imm;
[0035]其制备方法包括以下步骤:
[0036](I)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末；
[0037](2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，在压力为60MPa的压力下进行冷压成型，冷压致密度为90%，得到坯锭；
[0038](3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，在热压温度为500°C，压力为70MPa的条件下进行热压成型，热压致密度为90%，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理，高温真空除气处理的除气温度为620°C，升温速度为50°C/h。真空度为0.45Pa以下，除气时间不超过28h;
[0039](4)将经高温真空除气处理的坯锭在620°C，压力为130MPa的条件下进行热等静压致密化，保温保压6h，成型为致密度为100 %的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。
[0040]实施例3
[0041 ] 一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板依次包括金刚石含量为62%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为31%的细颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为62%的粗颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为31%的粗颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为62%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为31%的细颗粒金刚石/Al复合层，所述细颗粒金刚石的粒径大小为3μπι，粗颗粒金刚石的粒径大小为25μπι，细颗粒金刚石/Al复合层的厚度为0.6mm;
[0042]其制备方法包括以下步骤:
[0043](I)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末；
[0044](2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，在压力为55MPa的压力下进行冷压成型，冷压致密度为75%，得到坯锭；
[0045](3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，在热压温度为420°C，压力为50MPa的条件下进行热压成型，热压致密度为80%，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理，高温真空除气处理的除气温度为560°C，升温速度为30°C/h。真空度为0.45Pa以下，除气时间不超过28h;
[0046](4)将经高温真空除气处理的坯锭在560°C，压力为IlOMPa的条件下进行热等静压致密化，保温保压6h，成型为致密度为100 %的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。
[0047]实施例4
[0048]一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板依次包括金刚石含量为64%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为32%的细颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为64%的粗颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为32%的粗颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为64%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为32%的细颗粒金刚石/Al复合层，所述细颗粒金刚石的粒径大小为4μπι，粗颗粒金刚石的粒径大小为20μπι，细颗粒金刚石/Al复合层的厚度为0.7mm;
[0049]其制备方法包括以下步骤:
[0050](I)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末；
[0051](2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，在压力为60MPa的压力下进行冷压成型，冷压致密度为80%，得到坯锭；
[0052](3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，在热压温度为440°C，压力为55MPa的条件下进行热压成型，热压致密度为75%，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理，高温真空除气处理的除气温度为580°C，升温速度为35°C/h。真空度为0.45Pa以下，除气时间不超过28h;
[0053](4)将经高温真空除气处理的坯锭在580°C，压力为120MPa的条件下进行热等静压致密化，保温保压6h，成型为致密度为100 %的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。
[0054]实施例5
[0055]一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板依次包括金刚石含量为66%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为33 %的细颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为66 %的粗颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为33%的粗颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为66%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为33%的细颗粒金刚石/Al复合层，所述细颗粒金刚石的粒径大小为3μπι，粗颗粒金刚石的粒径大小为25μπι，细颗粒金刚石/Al复合层的厚度为0.8mm;
[0056]其制备方法包括以下步骤:
[0057](I)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末；
[0058](2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，在压力为55MPa的压力下进行冷压成型，冷压致密度为85%，得到坯锭；
[0059](3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，在热压温度为460°C，压力为60MPa的条件下进行热压成型，热压致密度为85%，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理，高温真空除气处理的除气温度为600°C，升温速度为40°C/h。真空度为0.45Pa以下，除气时间不超过28h;
[0060](4)将经高温真空除气处理的坯锭在600°C，压力为120MPa的条件下进行热等静压致密化，保温保压6h，成型为致密度为100 %的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。
[0061 ] 实施例6
[0062]一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，该散热基板依次包括金刚石含量为68%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为34%的细颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为68%的粗颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为34%的粗颗粒金刚石/Al复合层、金刚石含量为68%的细颗粒金刚石/铝复合层、金刚石含量为34%的细颗粒金刚石/Al复合层，所述细颗粒金刚石的粒径大小为5μπι，粗颗粒金刚石的粒径大小为25μπι，细颗粒金刚石/Al复合层的厚度为0.9mm;
[0063]其制备方法包括以下步骤:
[0064](I)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末；
[0065](2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，在压力为60MPa的压力下进行冷压成型，冷压致密度为85%，得到坯锭；
[0066](3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，在热压温度为480°C，压力为65MPa的条件下进行热压成型，热压致密度为90%，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理，高温真空除气处理的除气温度为610°C，升温速度为45 °C/h。真空度为0.45Pa以下，除气时间不超过28h;
[0067](4)将经高温真空除气处理的坯锭在610°C，压力为125MPa的条件下进行热等静压致密化，保温保压6h，成型为致密度为100 %的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。
【主权项】
1.一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，其特征在于，该散热基板包括三层，分别为:细颗粒金刚石/铝复合层-粗颗粒金刚石/铝复合层-细颗粒金刚石/铝复合层，所述细颗粒金刚石/铝复合层和粗颗粒金刚石/铝复合层分别包括两层，两层的金刚石颗粒含量不同，所述细颗粒金刚石的粒径大小为2-5μπι，粗颗粒金刚石的粒径大小为20-30μπι。2.如权利要求1所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，其特征在于，所述细颗粒金刚石/铝复合层的厚度为0.5-1_，粗颗粒金刚石/铝复合层的厚度可根据制品所需厚度调整。3.如权利要求1所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料，其特征在于，所述细颗粒金刚石/铝复合层和粗颗粒金刚石/铝复合层分别包括两层，上层金刚石的质量分数为60-.70%，下层金刚石的含量为上层的一半。4.如权利要求1至3任一所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将不同质量比的细颗粒金刚石、粗颗粒金刚石分别与铝基体粉末加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成金刚石含量不同的混合粉末； (2)将细颗粒金刚石含量不同的混合粉末、粗颗粒金刚石含量不同的混合粉末、细颗粒金刚石含量不同的混合粉末依次封装于成型模具中，进行冷压成型，得到坯锭； (3)将封装于成型模具中的坯锭在惰性气体气氛下，进行热压成型，将热压成型的坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理； (4)将经高温真空除气处理的坯锭进行热等静压致密化，成型为致密度为100%的复合材料坯锭，最后机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到铝基金刚石IGBT散热基板材料。5.如权利要求4所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，冷压成型的压力为50-60MPa，冷压致密度为70-90%。6.如权利要求4所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，热压成型热压温度为400-5000C，压力为45-70MPa，热压致密度为70%-90%。7.如权利要求4所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，高温真空除气处理的除气温度为540-620°C，升温速度为20-50°C/h。真空度为.0.45Pa以下，除气时间不超过28h。8.如权利要求4所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，热等静压温度与高温真空除气处理温度保持一致，为540-620°C，压力为100-.130MPa，保温保压6h。9.如权利要求4所述的一种铝基金刚石IGBT散热基板材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所制得的铝基金刚石IGBT散热基板材料依次包括细颗粒金刚石含量为60-70%的细颗粒金刚石/Al复合层、细颗粒金刚石含量为30-35%的细颗粒金刚石/Al复合层、粗颗粒金刚石含量为60-70%的粗颗粒金刚石/Al复合层、粗颗粒金刚石含量为30-35%的粗颗粒金刚石/Al复合层、细颗粒金刚石含量为60-70%的细颗粒金刚石/Al复合层、细颗粒金刚石含量为30-35 %的细颗粒金刚石/Al复合层。
【文档编号】B32B9/04GK105922675SQ201610260745
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】王文庆
【申请人】东莞市联洲知识产权运营管理有限公司