本發明屬于粉末冶金材料技術領域，具體涉及一種低膨脹、高熱導的SiCp/Al復合材料的成型設備及其方法。

背景技術：

現有大規模集成電路基板及大功率led燈基板主要采用氧化鋁材料產品或者銅甚至鋁基板，陶瓷基板具有與半導體芯片材料相當的熱膨脹性能，但是其低導熱的熱學特性在設計功率越來越高的現代電子產品中，嚴重阻礙了芯片熱量的散失，從而嚴重影響了電子產品的使用壽命和穩定性，據大功率led行業的測試，一般使用壽命只有1-2年左右，據10年的設計壽命相差甚遠；銅或鋁等金屬基板正好相反，雖然有良好的散熱效果，但是與芯片材料的熱匹配嚴重失調，從而由于熱應力疲勞破壞造成產品失效，據大功率led行業的測試，一般使用壽命只有半年左右，只有設計壽命的1/20。SiCp/Al復合材料由于綜合了陶瓷的低膨脹和金屬的高導熱的優良熱學性能，是一種理想的電子封裝基板材料，在國外已經批量工業生產并投入使用，而國內還基本處于研發階段。（特別加入）

SiCp/Al復合材料的性能尤其是熱性能主要由碳化硅顆粒的含量決定：碳化硅含量提高，則材料的熱膨脹系數降低，而導熱性能和韌性相對變差，其含量可控制在20～90%；鋁含量提高，則材料的導熱性能和韌性提高，但熱膨脹系數也提高。該金屬基復合材料的導熱性和重量都接近純鋁，并且可以將熱膨脹系數值控制得相當于鋁的30%～50%，以適應不同工況的需要。

碳化硅粉末價格低廉、來源廣泛且具有優異的性能，熱膨脹系數與芯片材料Si和GaAs相近，是一種非常理想的增強物。鋁是一種常見的、低廉的金屬材料，熔點低(660℃)，密度較小(2.7g/cm³ )，僅為鋼鐵的三分之一左右，在提高比強度、比模量上有很大潛力。SiCp/Al復合材料既保持了金屬特有的良好韌性與導電、傳熱等特點，又具有陶瓷的耐高溫性、耐腐蝕性、低熱膨脹性，適應了輕質、低成本、高強度、高模量、耐腐蝕、耐磨損的要求，可被應用于航天航空、汽車、內燃機、國防及體育、光學儀器，以及微波、電力、電子(或光電子)器件封裝中，對降低成本、減輕重量會起到積極的作用。此類材料的需求頗為巨大，市場前景廣闊。

現有的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料（SiCp/Al）一般采用液態工藝或者粉末冶金工藝制造。前者得到的材料中SiC的含量往往難以精確控制、SiC的分散均勻性也比較差，從而容易導致產品性能的分散性較大；后者現有工藝采用真空熱壓制造，由于抽真空環節導致生坯的放置及熟坯的取出極為不便，從而明顯增加了產品生產周期，造成生產效率低下，不利于工業化生產，同時由于真空設備的使用，大大提高了設備成本、維護成本，以及人力成本，而熱壓燒結是粉末冶金工藝中一種常見的活化燒結方式，現有高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的粉末冶金制備工藝中，一般采用真空熱壓燒結，雖然得到的材料性能優良，但同時帶來了低生產效率、高工藝成本、高維護成本、高人工成本等缺點，造成該方法不適于大規模生產，限制了由該方法制備電子封裝基板產品的工業應用，尤其是廣大的民用產品領域。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種低膨脹、高熱導的SiCp/Al復合材料的成型設備及其方法，應用于粉末冶金材料及產品的研制及試制，特別是涉及集成電路基板、高功率led燈基板等低膨脹、高導熱的SiCp/Al材料及基板樣品的快速熱壓成型，該方法采用的大氣條件下熱壓成型解決了上述粉末冶金工藝的諸多缺點，達到高生產效率和低生產成本的效果，為推廣高性能電子封裝基板SiCp/Al類產品應用提供有力的技術支持。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種低膨脹、高熱導的SiCp/Al復合材料的成型設備，包括基座，基座通過立柱連接橫梁，基座中間設有加壓裝置，加壓裝置通過調位墊塊連接加熱爐，加熱爐上設有上壓塊，加熱爐兩端通過滑孔連接立柱，加熱爐上端通過吊線由滑輪導向連接基座內的配重，立柱上設有上、下限位器，加熱爐的滑孔位于上、下限位器之間。

所述的加熱爐上表面通過兩邊對稱的吊線分別連接基座內兩配重。

所述的滑軌位于橫梁上方。

所述的滑軌、吊線、上、下限位器、加熱爐、配重組成快速升降加熱系統；橫梁、立柱和基座組成剛性框架；加壓裝置、調位墊塊和上壓塊組成加壓系統。

一種低膨脹、高熱導的SiCp/Al復合材料的成型方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）混粉：SiC選用14～63μm磨料級綠色碳化硅粉末；Al選用工業純鋁粉，或合金粉，粒度約為100μm，而且成分中不需任何粘結劑，將SiC顆粒與Al粉或Al合金粉末按體積比為：（20～90%)：（80～10%)均勻混合；

2）冷壓成形：將步驟1）混合均勻的SiC/Al粉末放入鋼制模具中，并在原料外層引入一純鋁粉薄層，在400MPa應力下加壓成形；

3）熱壓燒結：在大氣壓條件下，將冷壓成形后的SiC/Al放入石墨模具中，采用熱壓燒結技術進行燒結，燒結工藝為：加熱溫度為500～700℃，施加的壓力為1～40MPa，達到燒結溫度后保溫5-10分鐘，脫出膜腔，即制得了SiCp（20～90%) /Al電子封裝材料。

所述的熱壓燒結具體步驟如下：

1）試樣的快速安放與取出，通過成型設備載荷調整和控制由剛性框架和加壓系統共同實現，由調位墊塊和加壓裝置調整模具及試處于合適的高度，通過配重、滑輪、加熱爐和吊線快速移至上、下限位的上限位，將模具及試樣置于墊塊上，通過加壓裝置使模具及試樣處于熱壓位置并施加工藝壓力，試樣取出時，則將加熱爐移回最高位置，卸載并將模具及試樣移至加熱爐外合適位置；

2）試樣的快速加熱與冷卻，模具及試樣通過加熱爐的位置調整加熱，并通過位置調整快速降溫，根據試樣在爐外不同位置實現；

3）熱壓氣氛調整，對于需要氣體保護的熱壓過程，通過對管式加熱爐的簡單改造，實現氮氣、氬氣等惰性氣體保護熱壓。

本發明的有益效果是：

本方法主要包括混粉、冷壓成形、熱壓燒結三個工藝環節，其中原材料中不含塑性成形劑（為有機物，常規粉末冶金工藝中額外加入），避免了燒結過程中的二次污染；冷壓成形時冷坯外面包覆薄層純鋁層，SiCp/Al材料在氧化性條件下燒結時，正是由于純鋁的包覆在坯體表面形成了一層致密的氧化鋁薄膜，阻礙了氧擴散進入坯體內部造成內氧化；因此，熱壓燒結時不需要真空環境，而是在大氣條件下即可進行。另外，本發明快速熱壓成型工藝使復合材料金屬基體處于高變形狀態，甚至熔融態，從而大大降低熱壓壓力，只有常規熱壓壓力（100～200MPa）的10-25%，從而大大降低了對壓機噸位的要求；或者，在使用相同噸位的壓機，一次可以熱壓4-10個以上的粉末冶金坯體，至少是常規熱壓工藝效率的4倍以上。利用本工藝可以加工制造SiCp/Al長棒或柱狀坯料，利用現用陶瓷基板零件的生產設備、采用類似生產工藝進行后續加工，具體是通過切片機機械切割加工得到指定厚度的片狀坯料，然后利用鉆孔設備加工出基板產品所規定的孔類附屬結構，最后通過磨削加工得到基板產品；本工藝還可以直接加工制備指定厚度的片狀坯料，從而減少上述切片工序，直接打孔、磨制得到基板產品。而且，利用該裝置制備出的電子封裝基板材料的主要熱性能不明細低于液態法和真空熱壓粉末冶金工藝所制備的材料，完全能滿足電子封裝材料的要求，十分適于電子封裝用高碳化硅含量鋁基復合材料的大批量工業化生產。本設備快速熱壓成型包括幾個方面：1）對試樣及模具的操作均在加熱爐外進行，避免了其他熱壓工藝在爐內操作的不便的缺點；2）快速加熱由保溫良好的管式加熱爐實現；3）快速冷卻則是通過將模具及試樣移出加熱爐，空冷實現，并根據距加熱爐不同距離在一定范圍內調整冷卻速率，大大縮短了試樣的冷卻時間，從而提高效率，相對真空熱壓工藝尤為顯著。通過本設備，可以將現有真空熱壓6～10小時左右（熱壓時間設定為15～30分鐘）的工藝過程縮短至1個小時左右，得到試樣的基本性能，包括致密度、導熱系數和熱膨脹系數等相當。

具體有點優點在于：

①電子封裝基板材料要求的熱學性能可以通過成分設計進行調整；

②碳化硅顆粒的含量可以需要精確控制；

③原材料均為市售工業用粉，來源廣泛、成本低廉；

④熱壓過程一般在大氣條件下進行，避免了真空環節。因此，本方法具有工藝簡單、流程短、效率高、成本低的特點，十分適于工業化大規模生產。

附圖說明

圖1為本發明的快速熱壓成型系統機構示意圖。

圖2為本發明的成型方法示意圖

其中，1為滑軌；2為吊線；3為橫梁；4為上、下限位器；5為立柱；6為加熱爐；7為加壓裝置；8為基座；9為配重；10為調位墊塊；11為模具及試樣；12為上壓塊。

具體實施方式

以下結合附圖對發明進一步敘述。

如圖1所示，一種低膨脹、高熱導的SiCp/Al復合材料的成型設備，包括基座8，基座8通過立柱5連接橫梁3，基座8中間設有加壓裝置7，加壓裝置7通過調位墊塊10連接加熱爐6，加熱爐6上設有上壓塊12，加熱爐6兩端通過滑孔連接立柱5，加熱爐6上端通過吊線2由滑輪1導向連接基座8內的配重9，立柱5上設有上、下限位器4，加熱爐6的滑孔位于上、下限位器4之間。

所述的加熱爐6上表面通過兩邊對稱的吊線分別連接基座8內兩配重9。

所述的滑軌1位于橫梁3上方。

所述的滑軌1、吊線2、上、下限位器4、加熱爐6、配重9組成快速升降加熱系統；橫梁3、立柱5和基座8組成剛性框架；加壓裝置7、調位墊塊10和上壓塊12組成加壓系統。

如圖2所示，一種低膨脹、高熱導的SiCp/Al復合材料的成型方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）混粉：SiC選用14～63μm磨料級綠色碳化硅粉末；Al選用工業純鋁粉，或合金粉，粒度約為100μm，而且成分中不需任何粘結劑，將SiC顆粒與Al粉或Al合金粉末按體積比為：（20～90%)：（80～10%)均勻混合；

2）冷壓成形：將步驟1）混合均勻的SiC/Al粉末放入鋼制模具中，并在原料外層引入一純鋁粉薄層，在400MPa應力下加壓成形；

3）熱壓燒結：在大氣壓條件下，將冷壓成形后的SiC/Al放入石墨模具中，采用熱壓燒結技術進行燒結，燒結工藝為：加熱溫度為500～700℃，施加的壓力為1～40MPa，達到燒結溫度后保溫5-10分鐘，脫出膜腔，即制得了SiCp（20～90%) /Al電子封裝材料。

所述的熱壓燒結具體步驟如下：

1）試樣的快速安放與取出，通過成型設備載荷調整和控制由剛性框架和加壓系統共同實現，由調位墊塊和加壓裝置調整模具及試處于合適的高度，通過配重9、滑輪1、加熱爐6和吊線2快速移至上、下限位4的上限位，將模具及試樣11置于墊塊10上，通過加壓裝置7使模具及試樣11處于熱壓位置并施加工藝壓力，試樣取出時，則將加熱爐6移回最高位置，卸載并將模具及試樣11移至加熱爐6外合適位置；

2）試樣的快速加熱與冷卻，模具及試樣11通過加熱爐6的位置調整加熱，并通過位置調整快速降溫，根據試樣在爐外不同位置實現；

3）熱壓氣氛調整，對于需要氣體保護的熱壓過程，通過對管式加熱爐的簡單改造，實現氮氣、氬氣等惰性氣體保護熱壓。