[发明专利]一种铝碳化硅复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝碳化硅高强度复合材料的低成本制备工艺，特别适用于具有铝含量可调、激光可焊性好，导热系数高和热膨胀系数低的铝碳化硅复合材料的制备方法。

背景技术

多孔碳化硅陶瓷和金属材料如金属铝、铜、硅等复合后可以得到的金属基陶瓷具有热膨胀系数和硅芯片匹配、导热性能好、气密性高的电子封装材料，解决了传统电子封装材料的热膨胀系数与硅芯片的膨胀系数不匹配以及密度过高等问题，为高功率电子元器件封装提供了基础。专利【CN 101092672A】公开了一种金属陶瓷的制备方法，但目前所有的碳化硅基金属复合材料的机械加工和表面处理困难，因此产品生产成本高；在多孔坯体制备过程中使用碳化硅粉体形貌不可控，产生封闭孔和墨水瓶形状的内孔，在渗铝处理时毛细压力引起的压头损失大，产品均一性和气密性差。本发明是通过注射成型的工艺在具有三维通孔结构的多孔碳化硅坯体中填充液态铝制备高强度的金属、碳化硅双连续相结构材料，产品导热性好，热膨胀系数可调，减少机械加工，降低生产成本，产品在功率器件和光电封装领域有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种通过注射成型工艺在以球形碳化硅粉体和硅粉为原料制备的三维通孔结构的多孔碳化硅板中填充金属铝后制备的铝碳化硅复合材料的方法，铝体积分数在20～70％可调，通过该工艺制备的铝碳化硅复合材料的热导率为190～280W/mK，热膨胀系数在室温～200℃时为5.5～11.5×10^-6/K，刚度好，密度小，可焊性好，机械加工量小。

一种铝碳化硅复合材料的制备方法，是在以球形碳化硅粉和硅粉为原料制备的具有三维通孔结构的多孔碳化硅基片中通过注射成型工艺填充液态金属铝制备而成。

所述的具有三维通孔结构的多孔碳化硅基片的制备过程如下：

a、按照球形碳化硅微粉50-98.5wt％、球形硅粉0-48.5wt％、粘结剂0.5-5wt％和成孔剂1-25wt％配比得到混合物，还需加入不高于混合物总重量5％的塑化剂，混合后制成球形颗粒，采用陶瓷成型工艺压制成型，

b、将上述压制成型的坯体采用高温烧结，烧结温度1400-2400℃惰性气氛或还原气氛得到连续相多孔碳化硅基片。

所述的粘结剂包括无机粘结剂或有机粘结剂，所述的无机粘结剂包括含铝或硅的化学原料：氧化铝、铝溶胶、硅溶胶、氧化硅纳米线一种或几种；有机粘结剂包括：含甲氧基的聚合物、含SiO₂质量含量不低于40％有机硅树脂，或它们的改性产品；所述的含甲氧基的聚合物包括：聚乙二醇、聚乙烯醇、环氧树脂，或它们的改性聚合物；所述的成孔剂包括石墨或硼酸盐；所述的塑化剂包括纤维素、酞酸酯、硬脂酸酯类或它们的改性产品。

所述的粘结剂优选包括：含SiO₂质量含量不低于60％的有机硅树脂、硅溶胶或铝溶胶；所述的塑化剂优选包括：甲基纤维素、羧乙基纤维素或油酸。

步骤a所述的陶瓷成型工艺中成型压力为0.5MPa～20MPa；多孔碳化硅基片孔隙率达到20～70％。连续相多孔碳化硅基片的孔隙率调节可以采用改变成型压力、成孔剂和球形硅粉的掺入量三者共同调节。

所述的步骤b中烧结温度1400～2400℃，烧结时间0.5-4h，升温速度在0.5-10℃/min调节，气氛采用惰性气氛或还原气氛或分温度段控制气氛，所述的分温度段控制气氛为升温和烧结过程采用惰性气氛或还原气氛，降温过程采用氧化气氛或惰性气氛。

所述的注射成型工艺填充液态金属铝的过程如下：

将所述的多孔碳化硅基片固定在注射机型腔中，将液态金属铝导入注射通道，气液混合压力驱动，金属铝液体通过石墨导管导入放置有多孔碳化硅基片的型腔中，型腔温度控制在550～900℃，注射铝终点驱动压力控制在0.5～100MPa，成型时间为1～50分钟，然后脱模，获得Al/SiC复合材料。