專利名稱：一種鋁碳化硅復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁碳化硅高強(qiáng)度復(fù)合材料的低成本制備工藝，特別適用于具有鋁含量可調(diào)、激光可焊性好，導(dǎo)熱系數(shù)高和熱膨脹系數(shù)低的鋁碳化硅復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
多孔碳化硅陶瓷和金屬材料如金屬鋁、銅、硅等復(fù)合后可以得到的金屬基陶瓷具有熱膨脹系數(shù)和硅芯片匹配、導(dǎo)熱性能好、氣密性高的電子封裝材料，解決了傳統(tǒng)電子封裝材料的熱膨脹系數(shù)與硅芯片的膨脹系數(shù)不匹配以及密度過高等問題，為高功率電子元器件封裝提供了基礎(chǔ)。專利CN 101092672A公開了一種金屬陶瓷的制備方法，但目前所有的碳化硅基金屬復(fù)合材料的機(jī)械加工和表面處理困難，因此產(chǎn)品生產(chǎn)成本高；在多孔坯體制備過程中使用碳化硅粉體形貌不可控，產(chǎn)生封閉孔和墨水瓶形狀的內(nèi)孔，在滲鋁處理時毛細(xì)壓力引起的壓頭損失大，產(chǎn)品均一性和氣密性差。本發(fā)明是通過注射成型的工藝在具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅坯體中填充液態(tài)鋁制備高強(qiáng)度的金屬、碳化硅雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)材料，產(chǎn)品導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)可調(diào)，減少機(jī)械加工，降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)品在功率器件和光電封裝領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種通過注射成型工藝在以球形碳化硅粉體和硅粉為原料制備的三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅板中填充金屬鋁后制備的鋁碳化硅復(fù)合材料的方法，鋁體積分?jǐn)?shù)在20 70%可調(diào)，通過該工藝制備的鋁碳化硅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為190 ^OW/mK，熱膨脹系數(shù)在室溫 200°C時為5. 5 11. 5 X 10_6/K，剛度好，密度小，可焊性好， 機(jī)械加工量小。
一種鋁碳化硅復(fù)合材料的制備方法，是在以球形碳化硅粉和硅粉為原料制備的具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅基片中通過注射成型工藝填充液態(tài)金屬鋁制備而成。
所述的具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅基片的制備過程如下
a、按照球形碳化硅微粉50-98. 5wt%、球形硅粉0-48. 5wt%、粘結(jié)劑0. 5_5襯％和成孔劑l-25wt%配比得到混合物，還需加入不高于混合物總重量5%的塑化劑，混合后制成球形顆粒，采用陶瓷成型工藝壓制成型，
b、將上述壓制成型的坯體采用高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度1400-M00°C惰性氣氛或還原氣氛得到連續(xù)相多孔碳化硅基片。
所述的粘結(jié)劑包括無機(jī)粘結(jié)劑或有機(jī)粘結(jié)劑，所述的無機(jī)粘結(jié)劑包括含鋁或硅的化學(xué)原料氧化鋁、鋁溶膠、硅溶膠、氧化硅納米線一種或幾種；有機(jī)粘結(jié)劑包括含甲氧基的聚合物、含SiO2質(zhì)量含量不低于40%有機(jī)硅樹脂，或它們的改性產(chǎn)品；所述的含甲氧基的聚合物包括聚乙二醇、聚乙烯醇、環(huán)氧樹脂，或它們的改性聚合物；所述的成孔劑包括石墨或硼酸鹽；所述的塑化劑包括纖維素、酞酸酯、硬脂酸酯類或它們的改性產(chǎn)品。
所述的粘結(jié)劑優(yōu)選包括含S^2質(zhì)量含量不低于60%的有機(jī)硅樹脂、硅溶膠或鋁溶膠；所述的塑化劑優(yōu)選包括甲基纖維素、羧乙基纖維素或油酸。
步驟a所述的陶瓷成型工藝中成型壓力為0. 5MPa 20MPa ；多孔碳化硅基片孔隙率達(dá)到20 70%。連續(xù)相多孔碳化硅基片的孔隙率調(diào)節(jié)可以采用改變成型壓力、成孔劑和球形硅粉的摻入量三者共同調(diào)節(jié)。
所述的步驟b中燒結(jié)溫度1400 M00°C，燒結(jié)時間0. 5_4h，升溫速度在 0. 5-10°C /min調(diào)節(jié)，氣氛采用惰性氣氛或還原氣氛或分溫度段控制氣氛，所述的分溫度段控制氣氛為升溫和燒結(jié)過程采用惰性氣氛或還原氣氛，降溫過程采用氧化氣氛或惰性氣氛。
所述的注射成型工藝填充液態(tài)金屬鋁的過程如下
將所述的多孔碳化硅基片固定在注射機(jī)型腔中，將液態(tài)金屬鋁導(dǎo)入注射通道，氣液混合壓力驅(qū)動，金屬鋁液體通過石墨導(dǎo)管導(dǎo)入放置有多孔碳化硅基片的型腔中，型腔溫度控制在550 900°C，注射鋁終點(diǎn)驅(qū)動壓力控制在0. 5 lOOMPa，成型時間為1 50分鐘，然后脫模，獲得Al/SiC復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅基片中通過注射成型工藝填充液態(tài)金屬鋁，從而形成雙連續(xù)相，提高鋁碳化硅復(fù)合材料的致密度和產(chǎn)品均一性，其突出的進(jìn)步在于以陶瓷工藝制備的具有三維連續(xù)通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅板的孔隙率控制在20 70%之間，在多孔AlSiC基板制備過程中通過塑化改善球形SiC粉體的塑性，通過改變成型壓力、調(diào)整球形粉體顆粒級配以及添加成孔劑，在溫度1400 M00°C之間燒結(jié)獲得高強(qiáng)度的AlSiC基板。多孔基板通過定位技術(shù)固定在注射機(jī)的型腔中，金屬鋁液以氣液混合注射工藝從注射口進(jìn)入型腔填充至AlSiC基板的通孔中，形成碳化硅和金屬鋁雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)的鋁碳化硅復(fù)合材料，注射壓力為0. 5 lOOMPa，該技術(shù)可以生產(chǎn)AlSiC板材和異形件，產(chǎn)品可焊性好，機(jī)械加工量小。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，多孔碳化硅基片的孔隙率由成型壓力、0.5μπι的球形硅粉和成孔劑共同控制，三維通孔的開放程度由成孔劑調(diào)節(jié)，然后在高溫下SiC顆粒之間生成SiC連接成多孔骨架形成高強(qiáng)度的多孔陶瓷基板，形成碳化硅三維通孔骨架，有效提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和傳熱系數(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比，采用球形碳化硅成型，粉體流動性好，預(yù)制坯密度均一，燒結(jié)過程中SiC顆粒的變化和生長可控，可靠性高。通過改變0.5μπι的球形硅粉加入量、成孔劑和成型壓力，可以有效的改變多孔碳化硅陶瓷基板的孔隙率。采用氣液驅(qū)動真空注射工藝將液體金屬鋁滲入多孔碳化硅基板中，根據(jù)多孔板的孔隙率調(diào)節(jié)鋁碳化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)和復(fù)合材料的密度。氣液混合驅(qū)動的真空注射比氣體壓滲工藝的可控性強(qiáng)，驅(qū)動壓力小，可根據(jù)產(chǎn)品的厚度自由調(diào)節(jié)壓力。通過該工藝得到的鋁碳化硅陶瓷可以通過控制金屬碳化硅陶瓷材料的孔隙率控制金屬滲入量，得到金屬陶瓷的熱膨脹系數(shù)在 5. 5 11. 5 Χ10_6/Κ 可控，熱導(dǎo)率為 190 ^OW/mK。
采用本發(fā)明制備的鋁碳化硅復(fù)合材料可以制成熱膨脹系數(shù)成梯度變化的復(fù)合材料；多孔碳化硅滲金屬后可以制備熱膨脹系數(shù)呈梯度變化的鋁碳化硅復(fù)合陶瓷，其最小熱膨脹系數(shù)只有金屬鋁和銅的1/3，鎢銅的1/5，熱導(dǎo)率可以達(dá)到190 ^0W/mK，同時采用 0. 5 μ m的球形硅粉調(diào)節(jié)孔隙率，材料的可焊性提高，致密度好，這種金屬復(fù)合材料可用于電子封裝提高元器件的熱循環(huán)壽命和可靠性。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
制備高強(qiáng)度多孔碳化硅基片及其金屬復(fù)合材料的原料要求如下
材料名稱純度粒度球形碳化硅微粉SiC彡99.5%0.2 0.8mm球形硅粉Si彡98%0.5 μ m金屬鋁Al彡99.7%
各種粘結(jié)劑、增塑劑和成孔劑均為化學(xué)純。
實(shí)施例1
原料粒度0. 5mm的球形碳化硅95%，粘結(jié)劑含SW2大于60%的有機(jī)硅樹脂 2. 5%，石墨2. 5 %，塑化劑為油酸，加入量為前面三者總重量的4%，丙酮為溶劑，加入量每公斤固體物料/300ml。
制備工藝按下述步驟進(jìn)行
a、按配比要求準(zhǔn)確稱量球形碳化硅粉體和石墨粉體，倒入混料機(jī)中干混4小時；
b、在上述混合體系中加入丙酮，油酸，加入粘結(jié)劑，在高速分散機(jī)中分散2小時得到碳化硅漿料；
C、上述混合體在70°C的烘箱中烘干，破碎造粒，顆粒料過30目的不銹鋼篩，小顆粒過200目篩，粒徑大于200目的粉體留做下批配料用；
d、將上述粉體在IOMPa的壓力下模壓成型，燒結(jié)溫度為1400°C，燒結(jié)時間1小時， 升溫速度l°c /min，得到多孔碳化硅板材，孔隙率45%。
e、將上述孔隙率的SiC板材重新裝模密封，金屬鋁在600°C融化，將金屬鋁液加入注射通道，氣液混合驅(qū)動，驅(qū)動氣體為隊(duì)，驅(qū)動壓力0. 5MPa,液態(tài)鋁注射進(jìn)入SiC孔道內(nèi)部，獲得AlSiC復(fù)合材料。獲得的材料只要求少量的去毛邊，產(chǎn)品AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 192W/mK，熱膨脹系數(shù)6. 5 X 10_6/K，致密度高。
實(shí)施例2
原料粒度0. 2mm的球形碳化硅90%，粘結(jié)劑含SW2大于60%的有機(jī)硅樹脂 2. 5%，石墨5%，0. 5um的球形Si粉2. 5%，塑化劑為纖維素；加入量為前面四者總重量的 4%，丙酮為溶劑，加入量每公斤固體物料/300ml。
制備工藝按下述步驟進(jìn)行
a、按配比要求準(zhǔn)確稱量球形碳化硅粉體、球形硅粉和石墨粉體，倒入混料機(jī)中干混4小時；
b、在上述混合體系中加入丙酮，纖維素，加入粘結(jié)劑，在高速分散機(jī)中分散4小時得到碳化硅漿料；
C、上述混合體在70°C的烘箱中烘干，破碎造粒，顆粒料過30目的不銹鋼篩，小顆粒過200目篩，粒徑大于200目的粉體留做下批配料用；
d、將上述粉體在IOMPa的壓力下模壓成型，燒結(jié)溫度為2100°C，燒結(jié)時間1小時， 升溫速度l°c /min ；得到多孔碳化硅板材，孔隙率50%。
e、將上述孔隙率的SiC板材重新裝模密封，金屬鋁在600°C融化，將金屬鋁液加入注射通道，氣液混合驅(qū)動，驅(qū)動氣體為隊(duì)，驅(qū)動壓力IMPa，液態(tài)鋁注射進(jìn)入SiC孔道內(nèi)部，獲得AlSiC復(fù)合材料。獲得的材料只要求少量的去毛邊，產(chǎn)品AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率210W/ mK，熱膨脹系數(shù)7. 5 X 10—7K，致密度高。
實(shí)施例3
原料粒度0. 8mm的球形碳化硅90 %，粘結(jié)劑硅溶膠5 %，石墨5 %，塑化劑為甲基纖維素；加入量為前面三者總重量的4%，去離子水為溶劑，加入量每公斤固體物料 /300ml。
制備工藝按下述步驟進(jìn)行
a、按配比要求準(zhǔn)確稱量球形碳化硅粉體和石墨粉體，倒入混料機(jī)中干混4小時；
b、在上述混合體系中加入水，甲基纖維素，加入粘結(jié)劑，在高速分散機(jī)中分散2小時得到碳化硅漿料；
C、上述混合體在100°C的烘箱中烘干，破碎造粒，顆粒料過30目的不銹鋼篩，小顆粒過200目篩，粒徑大于200目的粉體留做下批配料用；
d、將上述粉體在15MPa的壓力下模壓成型，燒結(jié)溫度為1800°C，燒結(jié)時間1小時， 升溫速度l°c /min ；得到多孔碳化硅板材，孔隙率35%。
e、將上述孔隙率的SiC板材重新裝模密封，金屬鋁在600°C融化，將金屬鋁液加入注射通道，氣液混合驅(qū)動，驅(qū)動氣體為隊(duì)，驅(qū)動壓力15MPa，液態(tài)鋁注射進(jìn)入SiC孔道內(nèi)部， 獲得AlSiC復(fù)合材料。獲得的材料只要求少量的去毛邊，產(chǎn)品AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 211W/mK，熱膨脹系數(shù)5. 9X 10_6/K，致密度高。
實(shí)施例4
原料粒度0. 2mm的球形碳化硅92.5%，粘結(jié)劑鋁溶膠5 %，硼酸鈉2.5%，塑化劑為甲基纖維素，加入量為前面三者總重量的4%，去離子水為溶劑，加入量每公斤固體物料 /300ml。
制備工藝按下述步驟進(jìn)行
a、按配比要求準(zhǔn)確稱量球形碳化硅粉體和硼酸鈉粉體，倒入混料機(jī)中干混4小時；
b、在上述混合體系中加入水，甲基纖維素，加入的粘結(jié)劑，在高速分散機(jī)中分散2 小時得到碳化硅漿料；
C、上述混合體在100°C的烘箱中烘干，破碎造粒，顆粒料過30目的不銹鋼篩，小顆粒過200目篩，粒徑大于200目的粉體留做下批配料用；
d、將上述粉體在15MPa的壓力下模壓成型，燒結(jié)溫度為1400°C，燒結(jié)時間0. 5小時，升溫速度l°c /min ；得到多孔碳化硅板材，孔隙率40%。
e、將上述孔隙率的SiC板材重新裝模密封，金屬鋁在600°C融化，將金屬鋁液加入注射通道，氣液混合驅(qū)動，驅(qū)動氣體為隊(duì)，驅(qū)動壓力lOMPa，液態(tài)鋁注射進(jìn)入SiC孔道內(nèi)部， 獲得AlSiC復(fù)合材料。獲得的材料只要求少量的去毛邊，產(chǎn)品AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 180W/mK，熱膨脹系數(shù)5. 9X 10_6/K，致密度高。
實(shí)施例5
原料粒度0. 2mm的球形碳化硅75%，粘結(jié)劑含SW2大于60%的有機(jī)硅樹脂2. 5%，石墨22. 5%，塑化劑為油酸；加入量為前面三者總重量的4%，丙酮為溶劑，加入量每公斤固體物料/300ml。
制備工藝按下述步驟進(jìn)行
a、按配比要求準(zhǔn)確稱量球形碳化硅粉體和石墨粉體，倒入混料機(jī)中干混4小時；
b、在上述混合體系中加入丙酮，油酸，加入粘結(jié)劑，在高速分散機(jī)中分散2小時得到碳化硅漿料；
C、上述混合體在70°C的烘箱中烘干，破碎造粒，顆粒料過30目的不銹鋼篩，小顆粒過200目篩，粒徑大于200目的粉體留做下批配料用；
d、將上述粉體在IOMPa的壓力下模壓成型，燒結(jié)溫度為2200°C，隊(duì)氣氛燒結(jié)時間1 小時，升溫速度l°c /min;降溫至800°C后變空氣氣氛，得到多孔碳化硅板材，孔隙率65%。
e、將上述孔隙率的SiC板材重新裝模密封，金屬鋁在600°C融化，將金屬鋁液加入注射通道，氣液混合驅(qū)動，驅(qū)動氣體為隊(duì)，驅(qū)動壓力0. 5MPa，液態(tài)鋁注射進(jìn)入SiC孔道內(nèi)部，獲得AlSiC復(fù)合材料。獲得的材料只要求少量的去毛邊，產(chǎn)品AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 ^5W/mK，熱膨脹系數(shù)10. 5X 10—7K，致密度高。
實(shí)施例6
原料由粒度0. 2mm的球形碳化硅75%，粘結(jié)劑含SW2大于60%的有機(jī)硅樹脂 2. 5%，石墨2. 5%,0. 5um的Si粉20%，塑化劑為羧乙基纖維素，加入量為前面四者總重量的4%，丙酮為溶劑，加入量每公斤固體物料/300ml。
制備工藝按下述步驟進(jìn)行
a、按配比要求準(zhǔn)確稱量球形碳化硅粉體、硅粉和石墨粉體，倒入混料機(jī)中干混4 小時；
b、在上述混合體系中加入丙酮，羧乙基纖維素，加入粘結(jié)劑，在高速分散機(jī)中分散 2小時得到碳化硅漿料；
C、上述混合體在70°C的烘箱中烘干，破碎造粒，顆粒料過30目的不銹鋼篩，小顆粒過200目篩，粒徑大于200目的粉體留做下批配料用；
d、將上述粉體在SMPa的壓力下模壓成型，燒結(jié)溫度為1400°C，N2氣氛燒結(jié)時間1 小時，升溫速度l°c /min ；得到多孔碳化硅板材，孔隙率45%。
e、將上述孔隙率的SiC板材重新裝模密封，金屬鋁在700°C融化，將金屬鋁液加入注射通道，氣液混合驅(qū)動，驅(qū)動氣體為隊(duì)，驅(qū)動壓力1. 5MPa，液態(tài)鋁注射進(jìn)入SiC孔道內(nèi)部，獲得AlSiC復(fù)合材料。獲得的材料只要求少量的去毛邊，產(chǎn)品AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 215W/mK，熱膨脹系數(shù)10. 5X 10_6/K，致密度高，激光可焊性能好。
權(quán)利要求
1.一種鋁碳化硅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在以球形碳化硅粉和硅粉為原料制備的具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅基片中通過注射成型工藝填充液態(tài)金屬鋁制備而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅基片的制備過程如下a、按照球形碳化硅微粉50-98.5wt%、球形硅粉0-48. 5wt%、粘結(jié)劑0. 5_5wt%和成孔劑l-25wt%配比得到混合物，還需加入不高于混合物總重量5%的塑化劑，混合后制成球形顆粒，采用陶瓷成型工藝壓制成型，b、將上述壓制成型的坯體采用高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度1400-M0(TC惰性氣氛或還原氣氛得到連續(xù)相多孔碳化硅基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的粘結(jié)劑包括無機(jī)粘結(jié)劑或有機(jī)粘結(jié)劑，所述的無機(jī)粘結(jié)劑包括含鋁或硅的化學(xué)原料氧化鋁、鋁溶膠、硅溶膠、氧化硅納米線一種或幾種；有機(jī)粘結(jié)劑包括含甲氧基的聚合物、含SK)2質(zhì)量含量不低于40%有機(jī)硅樹脂，或它們的改性產(chǎn)品；所述的含甲氧基的聚合物包括聚乙二醇、聚乙烯醇、環(huán)氧樹脂，或它們的改性聚合物；所述的成孔劑包括石墨或硼酸鹽；所述的塑化劑包括纖維素、酞酸酯、硬脂酸酯類或它們的改性產(chǎn)品。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的粘結(jié)劑包括含SiO2質(zhì)量含量不低于60%的有機(jī)硅樹脂、硅溶膠或鋁溶膠；所述的塑化劑包括甲基纖維素、羧乙基纖維素或油酸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟a所述的陶瓷成型工藝中成型壓力為 0. 5MPa 20MPa ；多孔碳化硅基片孔隙率達(dá)到20 70%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步驟b中燒結(jié)溫度1400 M00°C， 燒結(jié)時間0. 5-4h，升溫速度在0. 5-10°C /min調(diào)節(jié)，氣氛采用惰性氣氛或還原氣氛或分溫度段控制氣氛，所述的分溫度段控制氣氛為升溫和燒結(jié)過程采用惰性氣氛或還原氣氛，降溫過程采用氧化氣氛或惰性氣氛。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的注射成型工藝填充液態(tài)金屬鋁的過程如下將所述的多孔碳化硅基片固定在注射機(jī)型腔中，將液態(tài)金屬鋁導(dǎo)入注射通道，氣液混合壓力驅(qū)動，金屬鋁液體通過石墨導(dǎo)管導(dǎo)入放置有多孔碳化硅基片的型腔中，型腔溫度控制在550 900°C，注射鋁終點(diǎn)驅(qū)動壓力控制在0. 5 lOOMPa，成型時間為1 50分鐘，然后脫模，獲得Al/SiC復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁碳化硅復(fù)合材料的制備方法，在以球形碳化硅粉和球形硅粉為原料制備的具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅基片中通過注射成型工藝填充液態(tài)金屬鋁，從而形成雙連續(xù)相，提高鋁碳化硅復(fù)合材料的致密度和產(chǎn)品均一性，通過改變成型壓力、調(diào)整不同粒徑球形粉體配料以及添加成孔劑，在溫度1400～2400℃之間燒結(jié)獲得高強(qiáng)度的AlSiC基板。多孔基板固定在注射機(jī)的型腔中，金屬鋁液以氣液混合注射工藝從注射口進(jìn)入型腔填充至AlSiC基板的通孔中，形成碳化硅和金屬鋁雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)的鋁碳化硅復(fù)合材料。通過該工藝制備的鋁碳化硅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為190～280W/mK，熱膨脹系數(shù)在室溫～200℃時為5.5～11.5×10-6/K，剛度好，密度小，可焊性好，機(jī)械加工量小。
文檔編號C04B38/02GK102500748SQ20111032743
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者崔葵馨, 常興華, 李希鵬, 金勝明 申請人:中南大學(xué)