一种多孔碳化硅陶瓷及其制备方法和应用、铝碳化硅复合材料技术

本发明专利技术提供一种多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其包括如下步骤：（1）按照如下骨料配方称取物料，其中，以骨料的质量为100%计，骨料的配方包括如下组分：碳化硅95%~99.5%；二氧化硅0.5%~5%；（2）使称量好的骨料混合、分散；（3）将分散后的骨料投入硫化造粒床进行造粒工序，获得陶瓷颗粒，其中，按照骨料总质量的40%~60%投加成型剂，成型剂为聚乙烯醇缩丁醛酯的醇溶液；（4）将陶瓷颗粒压成陶瓷预制体素坯；（5）使陶瓷预制体素坯烧结成多孔碳化硅陶瓷。本发明专利技术通过添加二氧化硅，有效促进碳化硅颗粒之间的粘接；通过工艺以及配方的控制，使得二氧化硅多集中于碳化硅颗粒之间的粘接处，进而有效提升铝碳化硅复合材料的热导率。化硅复合材料的热导率。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔碳化硅陶瓷及其制备方法和应用、铝碳化硅复合材料


[0001]本专利技术涉及一种多孔碳化硅陶瓷及其制备方法和应用、铝碳化硅复合材料。

技术介绍

[0002]随着电力电子以及半导体技术的发展，芯片正沿着大功率化、高频化的方向发展，大功率模块芯片集成度不断提高，例如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块集成度不断提高，功率不断增大，这也使得大功率模块芯片的工作温度不断上升，相应地对电子封装材料尤其是散热基板的要求越来越高，不仅要求散热基板具有与芯片相匹配的较低的热膨胀系数，而且还要求有较高的热导率。铝碳化硅（Al
‑
SiC）复合材料作为一种高导热、低膨胀的新型电子封装材料，被广泛应用大功率模块芯片的封装。
[0003]铝碳化硅复合材料主要由金属铝和多孔碳化硅（SiC）陶瓷制备而成，其中影响铝碳化硅复合材料性能的关键之一就是多孔碳化硅陶瓷的性能，碳化硅陶瓷的含量直接决定了复合材料的热导率和热膨胀，当碳化硅陶瓷含量越高，复合材料的热膨胀越低，但是复合材料的热导率也会降低。为了解决这一矛盾，就必须从多孔碳化硅陶瓷的配方和烧结工艺着手，保证复合材料的热膨胀和导热性能。
[0004]目前，多孔碳化硅陶瓷的制备主要有两种方法，一是通过添加低温粘接剂进行烧结，二是高温氧化法进行烧结。实际研究中发现，这两种方法，在烧结过程中都会在碳化硅陶瓷表面产生较多的低热导率的粘接相。例如，氧化法进行烧结时，由于采用高温（高于1000℃），会在碳化硅的表面形成氧化层
‑
二氧化硅层，而在后期铝和碳化硅复合时，由于二氧化硅层的存在，铝与碳化硅之间的接触面积会减小，而二氧化硅的热膨胀系数又远低于碳化硅，因此，该二氧化硅层的存在严重影响后期复合材料的热导率。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种多孔碳化硅陶瓷的制备方法，用该多孔碳化硅陶瓷制得的铝碳化硅复合材料具有低膨胀率和高热导率。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供一种多孔碳化硅陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：（1）按照如下骨料配方称取物料，其中，以所述骨料的质量为100%计，所述骨料的配方包括如下组分：碳化硅 95%~99.5%；二氧化硅 0.5%~5%；（2）使称量好的所述骨料混合、分散；（3）将分散后的所述骨料投入硫化造粒床进行造粒工序，获得陶瓷颗粒，其中，按照所述骨料总质量的40%~60%投加成型剂，所述成型剂为聚乙烯醇缩丁醛酯的醇溶液；（4）将所述陶瓷颗粒压成陶瓷预制体素坯；（5）使所述陶瓷预制体素坯烧结成所述多孔碳化硅陶瓷。
[0007]优选地，以所述骨料的质量为100%计，所述骨料的配方包括如下组分：碳化硅 98%~99.2%；二氧化硅 0.8%~2%。
[0008]进一步优选地，以所述碳化硅的质量为100%计，所述碳化硅包括：第一碳化硅 5%~
15%，所述第一碳化硅的中位径为1~10μm；第二碳化硅 20%~35%，所述第二碳化硅的中位径为25~35μm；第三碳化硅 55%~65%，所述第三碳化硅的中位径为70~90μm。
[0009]优选地，所述成型剂的投料量为所述骨料总质量的45%~55%。
[0010]优选地，所述醇包括乙醇、甲醇、乙二醇中的一种或多种。
[0011]进一步优选地，所述醇溶液中所述聚乙烯醇缩丁醛酯的质量浓度为10%~20%。
[0012]优选地，所述混合、分散的步骤包括使用双垂直高速铰刀进行分散，其中，高速铰刀的搅拌速度为1500~2000转/分钟，低速铰刀的搅拌速度为400~500转/分钟；所述分散的时间为25~35分钟。
[0013]优选地，将所述陶瓷颗粒压成陶瓷预制体素坯的步骤包括使所述陶瓷颗粒逐层铺排，在40~50MPa压力下干压成厚度10~100mm陶瓷预制体素坯。
[0014]优选地，所述烧结的温度为850~900℃，在大气环境下进行所述烧结。
[0015]进一步优选地，按照如下升温曲线进行所述烧结，所述升温曲线包括：a、室温~300℃，升温速率为3~10℃/min，保温1~3h；b、300~900℃，升温速率为3~10℃/min，保温1~3h；c、自然冷却至室温。
[0016]本专利技术的第二个方面提供一种多孔碳化硅陶瓷，所述多孔碳化硅陶瓷按照如上所述的制备方法制得。
[0017]优选地，单位体积下，所述多孔碳化硅陶瓷中骨料的体积含量为55%~65%；所述多孔碳化硅陶瓷的平均孔径为15~20微米、弯曲强度不低于10Mpa。
[0018]本专利技术的第三个方面提供一种多孔碳化硅陶瓷在制备金属碳化硅复合材料中的应用，所述多孔碳化硅陶瓷按照如上所述的制备方法制得。
[0019]优选地，所述复合材料包括金属碳化硅复合材料，所述金属碳化硅复合材料中的金属包括铝和/或铜。
[0020]本专利技术的第四个方面提供一种铝碳化硅复合材料，所述铝碳化硅复合材料由铝和上所述的制备方法制得的多孔碳化硅陶瓷制备得到。
[0021]优选地，所述铝碳化硅复合材料中的铝与多孔碳化硅陶瓷的投料质量比为1：（1~2）。
[0022]优选地，所述铝碳化硅复合材料的热导率为150~210W/（m
•
k），热膨胀系数（7.5~11）
×
10
‑6K。
[0023]由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术通过添加二氧化硅，有效促进碳化硅颗粒之间的粘接；进一步地，通过工艺以及配方的控制，使得二氧化硅多集中于碳化硅颗粒之间的粘接处，碳化硅陶瓷的表面几乎没有低热导率的粘接相
‑
二氧化硅层，从而在后续的铝和碳化硅陶瓷复合时，可增加两者之间的接触面积，大幅度消除两相界面处的二氧化硅层，进而有效提升铝碳化硅复合材料的热导率。
具体实施方式
[0024]传统的氧化法工艺制备多孔碳化硅陶瓷，需要使碳化硅粉料在高温下（一般大于1000℃）进行表面氧化，这样的方式会在碳化硅表面产生低导热率的粘结相
‑
二氧化硅层，严重影响后续铝碳化硅复合材料的热导率。本专利技术人意外地发现，通过向碳化硅粉体中添
加一定量的二氧化硅，并通过工艺以及配方的控制，能够使二氧化硅多集中于碳化硅颗粒之间的粘接处，避免碳化硅表面二氧化硅层的形成，从而使得后期的铝碳化硅复合材料的热导率大大提升。
[0025]本专利技术提供一种多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其包括如下步骤：（1）按照如下骨料配方称取物料，其中，以骨料的质量为100%计，骨料的配方包括如下组分：碳化硅 95%~99.5%；二氧化硅 0.5%~5%；（2）使称量好的骨料混合、分散；（3）将分散后的骨料投入硫化造粒床进行造粒工序，获得陶瓷颗粒，其中，按照骨料总质量的40%~60%投加成型剂，成型剂为聚乙烯醇缩丁醛酯的醇溶液；（4）将陶瓷颗粒压成陶瓷预制体素坯；（5）使陶瓷预制体素坯烧结成多孔碳化硅陶瓷。
[0026]根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：（1）按照如下骨料配方称取物料，其中，以所述骨料的质量为100%计，所述骨料的配方包括如下组分：碳化硅 95%~99.5%；二氧化硅 0.5%~5%；（2）使称量好的所述骨料混合、分散；（3）将分散后的所述骨料投入硫化造粒床进行造粒工序，获得陶瓷颗粒，其中，按照所述骨料总质量的40%~60%投加成型剂，所述成型剂为聚乙烯醇缩丁醛酯的醇溶液；（4）将所述陶瓷颗粒压成陶瓷预制体素坯；（5）使所述陶瓷预制体素坯烧结成所述多孔碳化硅陶瓷。2.根据权利要求1所述的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：以所述骨料的质量为100%计，所述骨料的配方包括如下组分：碳化硅 98%~99.2%；二氧化硅 0.8%~2%。3.根据权利要求1所述的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：以所述碳化硅的质量为100%计，所述碳化硅包括：第一碳化硅 5%~15%，所述第一碳化硅的中位径为1~10μm；第二碳化硅 20%~35%，所述第二碳化硅的中位径为25~35μm；第三碳化硅 55%~65%，所述第三碳化硅的中位径为70~90μm。4.根据权利要求1所述的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述成型剂的投料量为所述骨料总质量的45%~55%。5.根据权利要求1所述的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述醇包括乙醇、甲醇、乙二醇中的一种或多种；和/或，所述醇溶液中所述聚乙烯醇缩丁醛酯的质量浓度为10%~20%。6.根据权利要求1所述的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述混合、分散的步骤包括使用双垂直高速铰刀进行分散，其中，高速铰刀的搅拌速度为1500~2000转/分钟，低速铰刀的搅拌速度为400~500转/分钟；所述分散的时间为25~35分钟；...

【专利技术属性】
技术研发人员：党一纵，
申请(专利权)人：苏州拓瓷科技有限公司，
类型：发明
国别省市：