含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉及其製備方法
2023-05-10 18:32:51 4
含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉及其製備方法，屬於半導體雷射器晶片封裝【技術領域】。解決了現有技術中的複合熱沉陶瓷顆粒與金屬基體界面結合不乾淨，製備方法能耗大、成本高的問題。該Al熱沉由10–90vol.％的Al和10–90vol.％的雙相陶瓷顆粒組成，其中，雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。該Al熱沉熱膨脹係數較低且具有較好的導熱性能，能夠滿足半導體雷射器晶片封裝和散熱的要求；另外，該Al熱沉的製備方法採用廉價的B4C粉代替昂貴的B粉製備硼化物陶瓷顆粒，顯著的降低了成本，且製備工藝簡便、能耗低，易於推廣應用。
【專利說明】 含有雙相陶瓷顆粒的AI熱沉及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體雷射器晶片封裝【技術領域】，具體涉及一種含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉及其製備方法。
【背景技術】
[0002]半導體雷射器晶片散熱用的熱沉主要有金屬和陶瓷兩大類。金屬熱沉如Cu和A1等具有良好的導熱能力，然而其熱膨脹係數較大，與半導體雷射器晶片的熱膨脹係數不匹配，在使用過程中易產生應力集中，降低雷射器的使用壽命。而陶瓷熱沉雖然熱膨脹係數較低，但是其導熱係數通常較差，不利於雷射器散熱，同樣會降低半導體雷射器的使用壽命。
[0003]如果將陶瓷顆粒加入金屬熱沉中，使熱沉同時具有金屬與陶瓷的特性，即:具有高導熱、低膨脹的特點，就可以滿足半導體雷射器晶片封裝與散熱的需求。現有技術中，已有研宄者將Sic和金剛石等陶瓷顆粒加入金屬中製備熱沉。但是製備這種熱沉的方法通常為外加法，即將金剛石顆粒或SiC顆粒加入熔融的金屬中攪拌，所以製備的熱沉中的陶瓷顆粒與金屬基體界面結合不乾淨，不利於其導熱係數的提高。另外，外加法製備這種熱沉的溫度通常需要高於金屬的熔點，能耗大，製備成本高。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是解決現有技術中的複合熱沉陶瓷顆粒與金屬基體界面結合不乾淨，製備方法能耗大、成本高的技術問題，提供一種含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉及其製備方法。
[0005]本發明解決上述技術問題的技術方案如下。
[0006]含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，由10 - 90vol.%的A1和10 - 90vol.%的雙相陶瓷顆粒組成，所述雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。
[0007]優選的是，所述過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
[0008]含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的製備方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、將10 - 90vol.%的A1粉與10 - 90vol.%的混合粉料加入混料機中，混合均勻後，加入模具中，壓製成型，得到壓坯；
[0010]所述混合粉料為過渡族金屬元素粉與b4c粉的混合粉料，混合粉料中過渡族金屬元素粉與B4c粉的物質的量比為3:1，過渡族金屬元素粉料的粒度小於等於25 ym，B4C粉的粒度小於等於5 μπι ;
[0011]所述Α1粉的粒度小於等於50 μπι ;
[0012]步驟二、將步驟一得到的壓坯放置在燒結爐中的石墨模具中，對燒結爐抽真空後，將燒結爐加熱到200°C保溫20min以上；
[0013]步驟三、將燒結爐繼續加熱至580°C，保溫至壓坯中的粉料發生反應；
[0014]步驟四、對反應後的壓坯施加30MPa_60MPa的壓力，保壓10s以上，得到含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉。
[0015]優選的是，所述步驟一中，所述過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
[0016]優選的是，所述步驟一的混合時間為6h以上，混料機的轉速為10-60r/min。
[0017]優選的是，所述步驟一的混合時間為6_8h。
[0018]優選的是，所述步驟二中，保溫20-30min。
[0019]優選的是，所述步驟三中，保溫時間為5-10min。
[0020]優選的是，所述步驟二和步驟三中，壓坯的溫度通過鎢錸熱電偶監控。
[0021]優選的是，所述步驟四中，保壓10-20s。
[0022]與現有技術相比，本發明的有益效果:
[0023]1、本發明含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉中生成的雙相陶瓷顆粒和A1基體為冶金結合，界面乾淨，結合良好，具有低膨脹、高導熱的性能，其熱膨脹係數可以達到9.37 X 10_6/K，導熱係數可以達到163W.πΓ1.Γ1，滿足大功率半導體雷射器晶片封裝與散熱需求，能夠用於大功率半導體雷射器晶片封裝與散熱；
[0024]2、本發明含有雙相陶瓷顆粒的Α1熱沉內的陶瓷顆粒(碳化物和硼化物)採用原位內生製備，熱沉的製備過程中，廉價的B4c粉代替昂貴的Β粉作為Β源，製備出具有高導熱、低膨脹的含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，顯著的降低了成本；
[0025]3、本發明含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的製備方法中，由於加熱過程中，在較低溫度下(580°C )A1粉與過渡族金屬元素(Ti/Zr/Nb/Ta)粉會發生固固反應，反應過程中釋放出的熱量會進一步瞬間引燃整個反應體系，所以本方法製備A1熱沉的製備溫度為580°C，製備溫度低，降低能耗，節約成本，且一次成型，製備工藝簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明實施例1製備的含有50vol.% TiC-TiBj^ A1熱沉的X-射線衍射圖譜；
[0027]圖2為從本發明實施例1製備的Α1熱沉中萃取的雙相陶瓷顆粒在場發射電鏡下的形貌。
【具體實施方式】
[0028]為了進一步了解本發明，下面結合【具體實施方式】對本發明的優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為了進一步說明本發明的特徵和優點而不是對本發明權利要求的限制。
[0029]含有雙相陶瓷顆粒的Α1熱沉，由10 - 90vol.%的A1和10 - 90vol.%的雙相陶瓷顆粒組成，其中，雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。過渡族金屬元素優選為T1、Zr、Nb或者Ta，即雙相陶瓷顆粒為TiBjP TiC的混合物、ZrB# ZrC的混合物、NbB 2和NbC的混合物、TaB 2和TaC的混合物中的一種。該含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的熱膨脹係數可以達到9.37X 10_6/K，導熱係數可以達到163W.πΓ1.Κ'
[0030]上述含有雙相陶瓷顆粒的Α1熱沉的製備方法，主要包括壓坯製備和燒結製備熱沉兩個階段，燒結製備熱沉分為預熱、反應和緻密化三個過程，具體包括以下步驟:
[0031]步驟一、壓坯製備:
[0032]將10 - 90vol.%的A1粉與10 - 90vol.%的混合粉料加入混料機中，混合均勻後，加入不鏽鋼模具中，壓製成型，得到壓坯；
[0033]其中，混合粉料為過渡族金屬元素(Me)粉與B4C粉的混合粉料，由反應方程式:3Me+B4C = 2MeB2+MeC可知，混合粉料中過渡族金屬元素粉料與B4C粉的物質的量比為3:1，生成的硼化物與碳化物陶瓷顆粒的摩爾比為2:1 ;過渡族金屬元素粉料的粒度小於等於25 ym，B4C粉的粒度小於等於5 μπι，Α1粉的粒度小於等於50 μ m，粒度越小粉料的擴散速度越快，越容易發生反應，反應越完全，如果粉料粒度大於上述尺寸，由於固固擴散速率較低，會導致後期加熱過程中粉料之間反應不完全，也就無法製備本發明的熱沉;A1粉、過渡族金屬元素粉料(Ti粉、Zr粉、Nb粉、Ta粉等)和B4C粉的純度皆大於99%，沒有其他特殊限制，可通過本領域技術人員公知方式獲得；
[0034]混料均勻一般需要6h以上，其中混料機的轉速為10-60r/min，考慮生產成本和生產效率，一般混合6-8h，混料時間如果低於6h，將混料不均勻，製備的熱沉的不同位置的熱膨脹係數和導熱係數會出現偏差；
[0035]步驟二、預熱:
[0036]將步驟一製備的壓坯放置在燒結爐中的石墨模具中，對燒結爐抽真空後，將燒結爐加熱到200°C進行預熱保溫20min以上；
[0037]其中，預熱能夠使壓坯溫度與燒結爐的溫度一致，有利於壓坯後期反應完全，可以通過鎢錸熱電偶監控的壓坯溫度，預熱20min以後壓坯溫度與燒結爐的溫度能夠達到一致，考慮生產成本和生產效率，預熱時間一般為20-30min ；
[0038]步驟三、反應:
[0039]將燒結爐繼續加熱至580°C保溫，至壓坯中的粉料發生反應，一般需保溫5-10min ；
[0040]其中，可以通過鎢錸熱電偶監控的壓坯溫度，在燒結爐的溫度保持580 V不變的過程中，壓坯溫度一直是緩慢增加，當發現鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，突然快速提高指壓坯溫度一般在幾秒內(通常2s)由580°C以下升到1000°C以上，證明壓坯中的粉料之間發生了反應；
[0041]步驟四、緻密化:
[0042]壓坯中的粉料發生反應後，立即對壓坯施加30MPa_60MPa的壓力，保壓10s以上，使反應後的壓坯緻密化，得到含有雙相陶瓷顆粒的A1熱沉；
[0043]其中，壓坯中的粉料發生反應瞬間(Is)就完成的；如果壓力和時間小於上述範圍值，會導致製備的熱沉不緻密，壓力大於上述範圍值會使熱沉產生裂紋，考慮生產效率和成本，保壓時間一般為10-20s ；
[0044]本發明實施例中熱沉膨脹係數的測量採用GB/T 16535-2008，導熱係數測試採用GB/T 3651-2008。
[0045]本發明的雙相陶瓷顆粒的A1熱沉可以用於半導體雷射器晶片的散熱與封裝，其具體應用方法與現有技術中的熱沉應用方法相同，一般熱沉按照尺寸20mm X 20mm X 8mm進行精密加工，鍍金後用於半導體雷射器晶片焊接。
[0046]以下結合實施例及附圖進一步說明本發明。
[0047]實施例1
[0048]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:50vol.%的麼1和50vol.%的TiB2 - TiC (TiB2和TiC的物質的量比為2:1)。
[0049]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的製備方法:
[0050]步驟一、將36.78g粒度為50 μπι的A1粉、45.52g粒度為25 μπι的Ti粉及17.70g粒度為5 μπι的B4C粉裝入混料機中混料6h，使之混合均勻；然後把粉料放入不鏽鋼模具中，壓製成坯；
[0051]步驟二、將壓坯放置在燒結爐中的石墨模具中，抽真空後，將燒結爐加熱到200°C預熱保溫20min ；
[0052]步驟三、預熱後繼續加熱燒結爐至580°C保溫，保溫5min後，發現鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發生了反應；
[0053]步驟四、在反應結束後，對反應壓坯立即施加30MPa的壓力，保壓10s，製備出含有50vol.% TiB2 - TiC 顆粒的 A1 熱沉。
[0054]圖1為實施例1製備的A1熱沉的X射線衍射圖譜，從圖1可以看出，實施例1製備的熱沉由Al、TiC和TiB2相組成，說明本發明反應比較完全，產物比較純淨。
[0055]圖2為實施例1製備的A1熱沉中的陶瓷顆粒在場發射電鏡下的形貌，其中，尺寸較大且近球形的陶瓷顆粒為TiC顆粒，尺寸較小且呈六稜柱狀的陶瓷顆粒為TiB2顆粒。從圖2可以看出，A1熱沉中的陶瓷顆粒界面乾淨。
[0056]實施例1製備的含有50vol.% TiB2 - TiC陶瓷顆粒的A1熱沉的熱膨脹係數為9.37X10_6/K，導熱係數為deSW.m'r1，滿足半導體雷射器晶片焊接的要求。
[0057]實施例2
[0058]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:90vol.%的A1和10vol.% ZrB2 - ZrC(ZrB2和ZrC的物質的量比為2:1)。
[0059]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的製備方法:
[0060]步驟一、將79.53g粒度為45 μπι的Α1粉、16.99g粒度為20 μπι的Zr粉及3.48g粒度為3.5 μ m的B4C粉裝入混料機中混料7h ;然後把粉料放入不鏽鋼模具中，壓製成坯；
[0061]步驟二、將壓坯放置在燒結爐中的石墨模具中，抽真空後，將燒結爐加熱到200°C預熱保溫25min ；
[0062]步驟三、預熱後繼續加熱至580°C保溫，保溫7.5min後，發現鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發生了反應；
[0063]步驟四、在反應結束後，對反應壓坯立即施加50MPa的壓力，保壓20s，製備出含有10vol.% ZrB2 - ZrC 顆粒的 A1 熱沉。
[0064]實施例3
[0065]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:10vol.%的麼1和90vol.%的NbB2 - NbC (NbB2和NbC的物質的量比為2:1)。
[0066]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的製備方法:
[0067]步驟一、將3.98g粒度為25 μπι的Α1粉、79.96g粒度為20 μπι的Nb粉及16.0lg粒度為3.5 μ m的B4C粉裝入混料機中混料8h ;然後把粉料放入不鏽鋼模具中，壓製成坯；
[0068]步驟二、將壓坯放置在燒結爐中的石墨模具中，抽真空後，將燒結爐加熱到200°C預熱保溫30min ；
[0069]步驟三、預熱後繼續加熱至580°C保溫，保溫6min後，發現鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發生了反應；
[0070]步驟四、在反應結束後，對反應壓坯立即施加60MPa的壓力，保壓10s，製備出含有90vol.% NbB2 - NbC 粒的 A1 熱沉。
[0071]實施例4
[0072]雙相陶瓷顆粒的A1熱沉，其組成為:40vol.%的八1和60vol.%的TaB2 - TaC (TaB2和TaC的物質的量比為2:1)。
[0073]上述雙相陶瓷顆粒的A1熱沉的製備方法:
[0074]步驟一、將18.33g粒度為25 μ m的A1粉、62.37g粒度為20 μ m的Ta粉及19.30g粒度為3.5 μ m的B4C粉裝入混料機中混料8h ;然後把粉料放入不鏽鋼模具中，壓製成坯；
[0075]步驟二、將壓坯放置在燒結爐中的石墨模具中，抽真空後，將燒結爐加熱到200°C預熱保溫25min ；
[0076]步驟三、預熱後繼續加熱至580°C保溫，保溫6.5min後，發現鎢錸熱電偶的溫度突然快速提高，說明壓坯中的粉料之間發生了反應；
[0077]步驟四、在反應結束後，對反應壓坯立即施加50MPa的壓力，保壓10s，製備出含有60vol.% TaB2 - TaC 粒的 A1 熱沉。
[0078]顯然，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於所述【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。
【權利要求】
1.含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉，其特徵在於，由10- 90vol.%的Al和10 - 90vol.%的雙相陶瓷顆粒組成，所述雙相陶瓷顆粒為過渡族金屬元素的碳化物和該過渡族金屬元素的硼化物的混合物。
2.根據權利要求1所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉，其特徵在於，所述過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
3.含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一、將10 - 90vol.%的Al粉與10 - 90vol.%的混合粉料加入混料機中，混合均勻後，加入模具中，壓製成型，得到壓坯； 所述混合粉料為過渡族金屬元素粉與B4C粉的混合粉料，混合粉料中過渡族金屬元素粉與B4C粉的物質的量比為3:1，過渡族金屬元素粉料的粒度小於等於25 ym，B4C粉的粒度小於等於5 μπι ; 所述Al粉的粒度小於等於50 μ m ; 步驟二、將步驟一得到的壓坯放置在燒結爐中的石墨模具中，對燒結爐抽真空後，將燒結爐加熱到200°C保溫20min以上； 步驟三、將燒結爐繼續加熱至580°C，保溫至壓坯中的粉料發生反應； 步驟四、對反應後的壓坯施加30MPa-60MPa的壓力，保壓1s以上，得到含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉。
4.根據權利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，所述步驟一中，過渡族金屬元素為T1、Zr、Nb或者Ta。
5.根據權利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，所述步驟一的混合時間為6h以上，混料機的轉速為10-60r/min。
6.根據權利要求4所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，所述步驟一的混合時間為6-8h。
7.根據權利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，所述步驟二中，保溫20-30min。
8.根據權利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，所述步驟三中，保溫時間為5-10min。
9.根據權利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，所述步驟二和步驟三中，壓坯的溫度通過鎢錸熱電偶監控。
10.根據權利要求3所述的含有雙相陶瓷顆粒的Al熱沉的製備方法，其特徵在於，所述步驟四中，保壓10-20S。
【文檔編號】H01S5/024GK104475732SQ201410706224
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月27日 優先權日:2014年11月27日
【發明者】舒世立, 佟存柱, 汪麗傑, 田思聰, 寧永強, 王立軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所