铝基碳化硅封装部件材料及其碳化硅预置坯体制备方法技术

本发明专利技术属于金属基复合材料零部件的成形技术领域，提供一种通过碳化硅预置坯体的浆液近净尺寸成型，脱脂后坯体强度达到15MPa以上，结合熔融铝合金浸渗的工艺，实现最终用于复杂形状光电功能‑结构一体化的铝基碳化硅部件坯体的近终尺寸制备。坯体任一面的加工余量不超过0.5mm，从而有效管控铝基碳化硅封装材料和部件的制备和制造复杂度和成本；并且实现铝基碳化硅封装部件材料内部增强体碳化硅三维连通的微结构，进一步降低热膨胀系数至5.5～6.1ppm/K，与功能材料形成更优热匹配。

【技术实现步骤摘要】
铝基碳化硅封装部件材料及其碳化硅预置坯体制备方法
本专利技术属于本专利技术属于金属基复合材料零部件的成形
，特别涉及一种高性能铝基碳化硅部件复杂结构的碳化硅多孔预置体及其封装部件材料的近净尺寸制备方法。
技术介绍
以功率半导体模组、超高频光电通信模组、应对人工智能和物联网需求等大规模数据并发处理和计算单元为代表的超大规模集成电路，都面临着半导体器件和模组封装空间越来越紧凑、功耗增大带来的发热量和工况温升越来越高的问题。统计表明，温度升高，半导体器件和模组性能将衰减，失效概率随之急剧提高。原因包括：温度升高，放大了半导体器件和封装材料之间的热膨胀不匹配性(亦称为热失配)，导致电气互联性能下降，并且急剧加大热应力破坏和热机械疲劳失效的风险。另一方面，随着电子系统集成功能的增加和性能的提高，应用延伸至高振动高温变等严苛工况环境。这些应用场景，对封装材料的导热性、低膨胀性能、材料比刚性(弹性模量与质量密度比)、抗冲击性等热学与机械综合性能提出严峻的挑战。高碳化硅体积含量的铝基碳化硅复合材料相比较于传统的铝合金、铜合金、Invar、Kovar合金、Al2O3陶瓷，具有显著的热学和力学综合性能优势；对比AlN和Si3N4新型封装材料，冲击韧性更高，同时导热性能也高于Si3N4；此外，相对AlN和Si3N4，铝基碳化硅复合材料原料成本和加工难度相对较低，更容易以成熟低成本的化学镀和电镀等实现批量产品的表面金属化，通过调节复合材料中铝合金金属基体和增强体碳化硅的比例，可以实现材料热学和机械性能的调剂，因而是高集成度、高功率密度光电模组理想的功能/结构一体化封装候选材料之一，其制备技术和应用技术得到广泛的关注，其中材料批量制备和加工成本、材料性能是主要的技术突破方向。对比文件1(CN1644276A)公开了一种制备高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法。其采用粉末注射成型工艺，先制备碳化硅体积含量为62～72％的预置坯体，经过排胶和预烧结得到碳化硅骨架，并在1100～1200℃高温中进行铝合金熔渗，制备高体积分数碳化硅增强铝基复合材料。对比文件2(CN102806335B)公开了采用石蜡基粘接剂，经130℃粘结剂和碳化硅SiC粉混炼后，150℃热压铸成型，加热排胶并1100～1300℃预烧结后得到碳化硅SiC骨架。再采用含镁、硅和镧系稀土元素的铝合金，经过无压浸渗碳化硅骨架，获得电子封装铝基碳化硅复合材料。该材料碳化硅体积含量达到60～75％，25～150℃热膨胀系数CTE在6.67～9.00ppm/K，热导率在165～190W/(m·K)范围，对比传统封装材料Kovar合金、Invar合金、铝合金、钨铜合金，性能有明显提高。上述各对比文件公开的铝基碳化硅复合材料制备方法存在共同的待改进之处：所采用成型方法需要耐压耐高温的热作模具和相应的压力设备，难以实现具有复杂结构的大尺寸异型部件的成型；同时经过高温排胶后碳化硅骨架强度力学性能不足，需要高温预烧结，在此过程中，碳化硅骨架或坯体破坏的风险非常大。这两方面局限性对工艺条件要求高，而且无法满足高集成度的光电功能-结构一体化封装材料的近净尺寸成型，不可避免的导致加工余量大，成本高。此外，应用越来越广泛的高性能半导体或器件衬板如GaN、AlN、Si3N4等，以及光学晶体、光学玻璃等光学材料，热膨胀系数在3.7～6.0ppm/K，这些功能性材料与封装材料之间硬性连接，在工况功率密度提高的趋势下，要求进一步降低封装材料的热膨胀系数的需求强烈。
技术实现思路
本专利技术为了解决成型方法需要耐压耐高温的热作模具和相应的压力设备，无法满足高集成度的光电功能-结构一体化封装材料的近净尺寸成型，提出了一种铝基碳化硅封装部件及其碳化硅坯体制备方法，该脱脂后坯体(下称脱脂坯)强度达到15MPa以上，结合熔融铝合金浸渗的工艺，实现最终用于复杂形状光电功能-结构一体化的铝基碳化硅部件毛坯的近终尺寸制备。为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：一种碳化硅预置坯体制备方法，包括如下步骤：S1：将颗粒粒径范围为0.5-120μm的高纯碳化硅微米颗粒与颗粒粒径小于0.1μm的碳化硅纳米颗粒均匀混合于含有一种或多种碱性分散剂和空间位阻型分散剂的水基溶液介质中，其中微米颗粒和纳米颗粒的体积比在1000：1～20之间，配制具有稳定悬浮特性和含有高烧结活性的浓碳化硅水基浆料；S2：将配制的浓碳化硅水基浆料注入到按照部件相应结构设计的模具中，静止等待浓碳化硅水基浆料固化，并进行干燥处理得到碳化硅生坯；S3：干燥完毕在500～800℃空气条件下对碳化硅生坯做排胶处理，将碳化硅生坯中可烧除型腔型芯、有机粘结剂加热分解，得到多孔的碳化硅预置坯体。优选地，在步骤S1中，在浓碳化硅水基浆料内，在物料混合过程中加入高分子粘结剂，或者可引发凝胶的有机单体和交联剂，以调整后续坯体凝固过程。优选地，在步骤S2中，碳化硅生坯在室温下，或者30～50℃条件下干燥；和/或采用风机加速空气流动，加速干燥。优选地，在步骤S2中，模具为具有半封闭结构碳化硅多孔预置坯体成型模具，或者板状碳化硅生坯注浆成型模具。优选地，在步骤S3中，碳化硅生坯中可烧除型腔型芯由低灰分的树脂材料或者是石蜡基高分子材料，或者是泡沫等相对柔性的材料制作；碳化硅预置坯体的碳化硅体积含量最高达到75.0±1.0％、强度达到15MPa以上。一种碳化硅预置坯体由上述方法制备而成。一种铝基碳化硅封装部件材料制备方法，包括以下步骤：S10：由上述方法制备的碳化硅预置坯体；S20：选取碳化硅预置坯体中面积大的表面平面作为浸渗面，对其余非浸渗面进行表面预处理；S30：采用熔融铝合金浸渗的方法合成近净尺寸的铝基碳化硅封装部件材料。优选地，步骤S20中，表面预处理为选用碳基、硫酸盐基或者石膏基浆料涂刷非浸渗面，实现熔融铝合金浸渗工艺制备铝基碳化硅结构封装部件材料的表面保型。优选地，步骤S30包括：S301：将铝合金放置于碳化硅预置坯体浸渗面上方，或将碳化硅预置坯体放置于平整的铝合金上方，而后固定在表面具有保护层的耐火材料坩埚中；S302：在高纯N2和NH3气氛下，加热至铝合金熔点以上100～200℃的较低温度水平，视封装部件高度调整保温时间；S303：保温时间结束后随炉冷却至100℃以下，获得近净尺寸的铝基碳化硅结构封装部件材料。一种铝基碳化硅结构封装部件材料，上述方法制备而成。本专利技术能够取得以下技术效果：1、实现具有高碳化硅体积含量、低热膨胀系数的铝基碳化硅复杂结构封装部件材料的近净尺寸制备，部件材料单边最大尺寸偏差低于熔融，显著降低材料加工去除余量、加工周期和成本。2、所制备的铝基碳化硅复杂结构封装部件材料碳化硅体积含量达到75.0±1.0％。3、所制备的铝基碳化硅复杂结构封装部件材料中，碳化硅颗粒之间具有三维连通微结构，有效抑制铝合金基体的受热膨胀，复合材料热膨胀系数至5.5～6.1ppm/K@2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅预置坯体制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：将颗粒粒径范围为0.5-120μm的高纯碳化硅微米颗粒与颗粒粒径小于0.1μm的碳化硅纳米颗粒均匀混合于含有一种或多种碱性分散剂和空间位阻型分散剂的水基溶液介质中，其中所述微米颗粒和所述纳米颗粒的体积比在1000：1～20之间，配制具有稳定悬浮特性和含有高烧结活性的浓碳化硅水基浆料；/nS2：将配制的所述浓碳化硅水基浆料注入到按照部件相应结构设计的模具中，静止等待所述浓碳化硅水基浆料固化，并进行干燥处理得到碳化硅生坯；/nS3：干燥完毕在500～800℃空气条件下对所述碳化硅生坯做排胶处理，将所述碳化硅生坯中可烧除型腔型芯、有机粘结剂加热分解，得到多孔的碳化硅预置坯体。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅预置坯体制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将颗粒粒径范围为0.5-120μm的高纯碳化硅微米颗粒与颗粒粒径小于0.1μm的碳化硅纳米颗粒均匀混合于含有一种或多种碱性分散剂和空间位阻型分散剂的水基溶液介质中，其中所述微米颗粒和所述纳米颗粒的体积比在1000：1～20之间，配制具有稳定悬浮特性和含有高烧结活性的浓碳化硅水基浆料；
S2：将配制的所述浓碳化硅水基浆料注入到按照部件相应结构设计的模具中，静止等待所述浓碳化硅水基浆料固化，并进行干燥处理得到碳化硅生坯；
S3：干燥完毕在500～800℃空气条件下对所述碳化硅生坯做排胶处理，将所述碳化硅生坯中可烧除型腔型芯、有机粘结剂加热分解，得到多孔的碳化硅预置坯体。


2.根据权利要求1所述的碳化硅预置坯体制备方法，其特征在于，在步骤S1中，在所述浓碳化硅水基浆料内，在物料混合过程中加入高分子粘结剂，或者可引发凝胶的有机单体和交联剂，以调整后续坯体凝固过程。


3.根据权利要求1所述的碳化硅预置坯体制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述碳化硅生坯在室温下，或者30～50℃条件下干燥；和/或采用风机加速空气流动，加速干燥。


4.根据权利要求1所述的碳化硅预置坯体制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述模具为具有半封闭结构碳化硅多孔预置坯体成型模具，或者板状碳化硅生坯注浆成型模具。


5.根据权利要求1所述的碳化硅预置坯体制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述碳化硅生坯中所述可烧除型腔型芯由低灰分的树脂材料或者是石蜡基高分子材料，或者是泡沫等相...

【专利技术属性】
技术研发人员：包建勋，张舸，崔聪聪，郭聪慧，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22