铝碳化硅制备方法、所得铝碳化硅及电子元器件封装底板

摘要

本发明提供了一种铝碳化硅制备方法及其所得铝碳化硅，铝碳化硅的制备方法，包括填粉和渗铝，填粉步骤包括：将粉料填充至铝基板的凹槽中，形成粉料板；在粉料板的表面铺设厚度为0.5mm的铝箔；铝碳化硅中不加除铝和碳化硅以外的其他添加剂。本发明提供的铝碳化硅制备方法通过在碳化硅粉料的表面铺设0.5mm厚的铝箔，再进行渗铝，可防止渗铝过程中铝液对碳化硅层的冲刷，保证渗铝步骤后所得铝碳化硅材料内部组织均匀。而且本发明提供的方法在未加入任何添加剂的情况下，保持了铝碳化硅材料的抗弯强度，从而将所得铝碳化硅材料的热导率提高至250～280W/mK。

权利要求

1.一种铝碳化硅的制备方法，包括填粉和渗铝，其特征在于，所述填粉步骤包括：将粉料填充至铝基板的凹槽中，形成粉料板；

在所述粉料板的表面铺设厚度为0.5mm的铝箔；

所述铝碳化硅中不加除铝和碳化硅以外的其他添加剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括所述粉料的配制过程，所述过程包括将D50为10～15μm的球形碳化硅粉与D50为70～80μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，过50目筛。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述过程包括将D50为12μm的球形碳化硅粉与D50为73μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述渗铝的步骤中，渗铝压力为5MPa，保压时间为10分钟。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述渗铝的步骤包括将表面铺设所述铝箔的所述粉料板浸入750℃的熔融铝液中，在室温下先抽真空至700Pa，之后再加压至

5MPa保压时间为10分钟渗铝。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝基板为厚5mm的铝块，所述铝块表面至少设置一个深度为3mm的方型槽。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝基板包括铝金属区(100)和填充区(200)，所述填充区(200)为开设于所述铝金属区(100)内的凹槽，所述填充区(200)中填充碳化硅粉末。

8.一种按权利要求1～7中任一项所述方法制得的铝碳化硅，其特征在于，包括铝金属区和铝碳化硅区，所述铝碳化硅区嵌入所述铝金属区内，所述铝碳化硅区的一面裸露。

9.根据权利要求8所述的铝碳化硅，其特征在于，所述铝碳化硅热导率为250～280W/mK；在50～150℃下热膨胀系数为6～7ppm/K。

10.一种权利要求8或9中所述铝碳化硅制成的电子元器件封装底板。

说明书

铝碳化硅制备方法、所得铝碳化硅及电子元器件封装底板

技术领域

[0001] 本发明涉及铝碳化硅材料领域，特别地，涉及一种铝碳化硅制备方法、所得铝碳化硅及电子元器件封装底板。

背景技术

[0002] 随着电子元器件集成度不断提高和电力半导体器件功率不断增大，对电子封装器件可靠性的要求也越来越高，对用于电子封装的底板材料和结构提出了新的要求。传统的铜底板虽然导热性能良好，但其膨胀系数与电力电子元器件的陶瓷基板及半导体芯片不匹配，影响了器件的可靠性，难以满足大功率电力电子器件的使用要求。

[0003] 现有铝碳化硅材料组织内部均匀性较差，降低了其作为电子器件封装底板使用的各项性能。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种可提高铝碳化硅组织均匀性的制备方法，该方法制得的铝碳化硅材料组织内部颗粒均匀，可避免渗铝过程中铝液对表面碳化硅粉末的冲刷，提升铝碳化硅材料的均匀性。

[0005] 根据本发明的一个方面，提供了一种铝碳化硅的制备方法，包括填粉和渗铝，填粉步骤包括：将粉料填充至铝基板的凹槽中，形成粉料板；在粉料板的表面铺设厚度为0.5mm的铝箔；铝碳化硅中不加除铝和碳化硅以外的其他添加剂。

[0006] 进一步地，还包括粉料的配制过程，过程包括将D50为10～15μm的球形碳化硅粉与D50为70～80μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，过50目筛。

[0007] 进一步地，过程包括将D50为12μm的球形碳化硅粉与D50为73μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合。

[0008] 进一步地，渗铝的步骤中，渗铝压力为5MPa，保压时间为10分钟。

[0009] 进一步地，渗铝的步骤包括将表面铺设铝箔的粉料板浸入750℃的熔融铝液中，在室温下先抽真空至700Pa，之后再加压至5MPa保压时间为10分钟渗铝。

[0010] 进一步地，铝基板为厚5mm的铝块，铝块表面至少设置一个深度为3mm的方型槽。

[0011] 进一步地，铝基板包括铝金属区和填充区，填充区为开设于铝金属区内的凹槽，填充区中填充碳化硅粉末。

[0012] 根据本发明的另一方面还提供了一种按上述方法制得的铝碳化硅，包括铝金属区和铝碳化硅区，铝碳化硅区嵌入铝金属区内，铝碳化硅区的一面裸露。

[0013] 进一步地，铝碳化硅热导率为250～280W/mK；在50～150℃下热膨胀系数为6～7ppm/K。

[0014] 根据本发明的另一方面还提供了一种上述铝碳化硅制成的电子元器件封装底板。

[0015] 本发明具有以下有益效果：

[0016] 本发明提供的铝碳化硅制备方法通过在碳化硅粉料的表面铺设0.5mm厚的铝箔，再进行渗铝，可防止渗铝过程中铝液对碳化硅层的冲刷，保证渗铝步骤后所得铝碳化硅材料内部组织均匀。而且本发明提供的方法在未加入任何添加剂的情况下，保持了铝碳化硅材料的抗弯强度，从而将所得铝碳化硅材料的热导率提高至250～280W/mK。

[0017] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0018] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0019] 图1是本发明优选实施例的铝基板俯视示意图。

具体实施方式

[0020] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0021] 若未特别指明，本文中及实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

[0022] 本文中涉及到的百分号“％”，若未特别说明，是指质量百分比；但溶液的百分比，除另有规定外，是指溶液100m1中含有溶质若干克；液体之间的百分比，是指在20℃时容量的比例。

[0023] 本发明提供的铝碳化硅制备方法中包括填粉和渗铝步骤。这些步骤中未特别限定的内容均可按常规步骤进行。其中填粉步骤包括将粉料填充至铝基板中，得到粉料板。粉料板为将碳化硅粉料填充至铝板表面的凹陷中。该凹陷形状深度不限，但不可穿透铝板。

[0024] 现有渗铝步骤中，如未在碳化硅表面铺设铝箔，则铝液淹没该碳化硅粉料时，填料后的碳化硅粉料会受到铝液的冲刷而发生局部堆积。在经过压实的碳化硅粉料表面铺设厚度为0.5mm的铝箔。通过在填粉后的碳化硅粉末表面设置该厚度的铝箔，可以减少铝液对碳化硅粉料的冲刷，从而提高了渗铝步骤后所得铝碳化硅材料的内部组织均匀性。同时还能提高所得铝碳化硅材料内部铝液对碳化硅颗粒包覆的均匀性，从而提高所得铝碳化硅材料的性能。过厚的铝箔无法达到该效果。

[0025] 现有技术中，为了保证预制件的抗弯强度，在制备铝碳化硅时均会在碳化硅粉末或渗铝过程中，向铝碳化硅中加入诸如粘结剂等其他添加剂。这些添加剂的加入导致所得铝碳化硅的热导率降低至150W/mK。采用本发明提供的方法制得的铝碳化硅在未使用任何其他添加剂，仅包含铝和碳化硅两种材料的情况下，所制得的铝碳化硅材料抗弯强度与加入添加剂后的相同。而且由于未添加其他添加剂，从而提高了所得铝碳化硅材料的导热性能，其热导率可达到250～280W/mK。

[0026] 优选此处的铝基板如图1所示，包括铝金属区100和填充区200。由此可知，铝基板的填充区200中填充碳化硅粉末，在后续步骤中，该区域内的碳化硅中渗入铝液，形成铝碳化硅材料。而铝金属区100则仍然为铝。采用该结构的材料作为电子元件封装底板时，即可保留铝碳化硅区，提高电子元器件陶瓷板与底板之间的匹配性，铝金属区100又具有良好的导热性，保证了底板良好的散热性能。铝金属区100加工安装孔较易，提高了底板的安装方便性。

[0027] 优选的，配粉步骤包括将D50为10～15μm的球形碳化硅粉与D50为70～80μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，过50目筛。按此比例混合此粒径范围的碳化硅球形粉末，所得铝碳化硅材料的热膨胀系数降低，为50～150℃下，6～7ppm/K。该材料能更好的与低膨胀系数电子元器件陶瓷基板的匹配。过50目筛，可以提高填粉时颗粒的均匀性，避免过大颗粒对铝碳化硅性能的影响。

[0028] 更优选的，配粉步骤包括将D50为12μm的球形碳化硅粉与D50为73μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合。此时所得铝碳化硅的热膨胀系数可达到150℃下，6ppm/K。

[0029] 优选的，渗铝步骤渗铝时加压5MPa，保压时间为10分钟。按此条件进行渗铝，可以避免对碳化硅粉末的过度冲刷，提高所得铝碳化硅处理内部组织均匀性。降低缩孔率，提高产品质量。

[0030] 优选的，渗铝步骤包括将表面铺设铝箔的粉料板浸入750℃的熔融铝液中，在室温下先抽真空至700Pa，之后再加压至5MPa进行渗铝。按此条件进行处理，可以提高所得铝碳化硅材料的导热系数。

[0031] 优选的，铝基板为厚5mm的铝块，铝块表面至少设置一个深度为3mm的方型槽。按此尺寸设置凹槽可以避免采用整块铝碳化硅材料作为底板时，加工困难，安装边容易产生裂纹的问题。从而提高了精准地控制安装面的平面度，提高产品的安装性能和产品的良率。

[0032] 上述方法减少了预制件生产环节，降低了生产成本。

[0033] 本发明另一方面还提供了一种按上述方法制备得到的铝碳化硅。包括铝金属区和铝碳化硅区，铝碳化硅区嵌入铝金属区内，铝碳化硅区的一面裸露。采用这种结构的铝碳化硅，可避免采用整块铝碳化硅材料作为底板时，加工困难，安装边容易产生裂纹的问题。从而提高了精准地控制安装面的平面度，提高产品的安装性能和产品的良率。

[0034] 所得铝碳化硅材料的热导率为250～280W/mK；在50～150℃下测得热膨胀系数为6～7ppm/K。抗弯强度为329MPa。在保证抗弯强度的前提下，能更好的与电子元件的陶瓷板匹配，提高作为电子元器件封装底板使用时的导热能力。

[0035] 本发明另一方面还提供了一种以前述铝碳化硅为电子元器件封装底板。此时该底板导热效果好，可提高电子封装元器件的使用寿命。

[0036] 实施例

[0037] 实施例1

[0038] 1、配粉：将10μm的球形碳化硅粉与70μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，并在搅拌机中充分搅拌至粉料均匀混合，再过50目筛。

[0039] 2、铝基板的制备：在厚度为5mm的方型铝块(210mm×110mm×5mm)的一面铣出3个深度为3mm的方型槽；

[0040] 3、填粉：将步骤1中所得混合粉料填充到步骤2中的铝基板的3个方型槽中，在100MPa下压实，得到粉料板，并用厚度为0.5mm的铝箔覆盖于粉末表面；

[0041] 4、渗铝：将步骤3中所得表面覆盖铝箔的粉料板装入模具后，浸入750℃的熔融铝液中，在室温下先抽真空至700Pa，之后再加压至5MPa，维持10分钟，得到嵌有铝碳化硅材料的电子封装底板；

[0042] 5、加工：将步骤4所得铝底板抛光，在铝金属区边缘加工打孔；

[0043] 6、镀镍：将加工后的底板清洗、喷砂、化学镀镍得到底板1。

[0044] 实施例2

[0045] 1、配粉：将15μm的球形碳化硅粉与80μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，并在搅拌机中充分搅拌至粉料均匀混合，再过50目筛。

[0046] 2、铝基板的制备：在厚度为5mm的方型铝块(210mm×110mm×5mm)一面铣出3个深度为3mm的方型槽；

[0047] 3、填粉：将步骤1中所得混合粉料填充到步骤2中的铝基板的3个方型槽中，在100MPa下压实，得到粉料板，并用厚度为0.5mm的铝箔覆盖于粉末表面；

[0048] 4、渗铝：将步骤3中所得表面覆盖铝箔的粉料板装入模具后，浸入750℃的熔融铝液中，在室温下先抽真空至700Pa，之后再加压至5MPa，维持10分钟，得到嵌有铝碳化硅材料的电子封装底板；

[0049] 5、加工：将步骤4所得铝底板抛光，在铝金属区边缘加工打孔；

[0050] 6、镀镍：将加工后的底板清洗、喷砂、化学镀镍得到底板2。

[0051] 实施例3

[0052] 1、配粉：将12μm的球形碳化硅粉与73μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，并在搅拌机中充分搅拌至粉料均匀混合，再过50目筛；

[0053] 2、铝基板的制备：在厚度为5mm的方型铝块(210mm×110mm×5mm)一面铣出3个深度为3mm的方型槽；

[0054] 3、填粉：将步骤1中所得混合粉料填充到步骤2中的铝基板的3个方型槽中，在100MPa下压实，得到粉料板，并用厚度为0.5mm的铝箔覆盖于粉末表面；

[0055] 4、渗铝：将步骤3中所得表面覆盖铝箔的粉料板装入模具后，浸入750℃的熔融铝液中，在室温下先抽真空至700Pa，之后再加压至5MPa，维持10分钟，得到嵌有铝碳化硅材料的电子封装底板；

[0056] 5、加工：将步骤4所得铝底板抛光，在铝金属区边缘加工打孔；

[0057] 6、镀镍：将加工后的底板清洗、喷砂、化学镀镍得到底板3。

[0058] 对比例1

[0059] 与实施例1的区别在于：在步骤3中加入粘结剂磷酸二氢铝，得到底板4。

[0060] 对比例2

[0061] 与实施例1的区别在于：在步骤1中9μm的球形碳化硅粉与81μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，得到底板5。

[0062] 对比例3

[0063] 与实施例1的区别在于：在步骤1中16μm的球形碳化硅粉与69μm的球形碳化硅粉按体积比为1：3混合，得到底板6。

[0064] 实施例1～3和对比例1～3中所得底板性能检测结果列于表1中。检测方法按常规方法进行。其中热膨胀系数为在50～150℃下测得。

[0065] 表1 底板1～6性能检测结果表

[0066]

[0067]

[0068] 由表1可见，本发明提供的方法制备得到的铝碳化硅底板各项性能均优于对比例中所得底板。尤其是抗弯强度，本发明提供方法在未对添加任何添加剂的情况下，所得铝碳化硅材料的抗弯强度超过了添加了粘结剂的铝碳化硅材料。说明本发明提供的方法可以保证甚至提高所得铝碳化硅材料的抗弯强度，同时提高所得铝碳化硅材料的热导率。

[0069] 所得铝碳化硅材料的热膨胀系数低于对比例。说明按本发明提供的方法制得的铝碳化硅材料能降低所得材料的热膨胀系数，减少其作为底板使用过程中的变形量，提高电子封装器件的安全可靠性。

[0070] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。