CN103433491B - 一种碳化硅igbt基板骨架真空压力渗铝装置及双面覆铝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置及双面覆铝方法。该装置包括陶瓷坩埚，设置在陶瓷坩埚底部的带孔石墨板；装在陶瓷坩埚内的多块碳化硅IGBT基板骨架和多块不锈钢陶瓷组合板；相邻两块碳化硅IGBT基板骨架之间设有一块与之平行布置的所述不锈钢陶瓷组合板；所述陶瓷坩埚的侧壁上开有用于固定所述碳化硅IGBT基板骨架或不锈钢陶瓷组合板的卡槽；所述陶瓷坩埚内装有含硅质量分数大于13%的铸造铝合金。本发明解决了铝碳化硅IGBT基板双面均匀覆铝合金的技术难题，陶瓷坩埚可重复使用，成本低，产量高、质量好，适合于批量生产。

Description

一种碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置及双面覆铝方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置及铝碳化硅IGBT基板双面覆铝合金的工艺方法。

背景技术

铝碳化硅IGBT基板因其具有热导率高，热膨胀系数低等特点，已广泛应用于大功率集成电路、相控阵雷达天线、高速列车变流控制器的散热。

铝碳化硅IGBT基板上需要有安装孔和螺孔，要求焊接面为平面，另一面需要球面。在铝碳化硅IGBT基板上进行机械加工是很困难的。中国专利CN201110340918.7公开了了铝碳化硅复合材料IGBT基板的制备及镶嵌铝合金的方法，避免了在铝碳化硅复合材料基板上打孔或攻丝，而是在铝碳化硅复合材料基板镶嵌的铝合金上进行打孔或攻丝，提高了生产效率。为了实现铝碳化硅IGBT基板的另一面为球面，如果在铝碳化硅IGBT基板上进行机械加工，比打孔或攻丝还要困难。当然，如果能实现在铝碳化硅IGBT基板上双面覆上铝合金，然后在铝合金上进行球面加工，则可以避免机械加工上的困难。但是，在真空压力渗铝过程中，采用不锈钢制作的渗铝工装，碳化硅IGBT基板骨架渗铝后很容易变形，导致铝碳化硅IGBT基板双面覆铝合金的厚度不均匀，在进行球面加工时，铝碳化硅材料很容易露出来，达不到双面覆铝合金的目的。中国专利CN200780014043.3公开了“铝-碳化硅复合体和使用该复合体的散热零件”，该专利是将碳化硅IGBT基板骨架的两面先垫上氧化铝或二氧化硅为主要成分的纤维布，在该纤维布的外面再夹脱模钢板，交叉层叠，在最外层用两块厚钢板夹住并用螺杆拧紧。该专利的关键在于氧化铝或二氧化硅为主要成分的纤维布夹在碳化硅IGBT基板骨架上，通过调整纤维布的层数，达到调整铝碳化硅IGBT基板上的铝合金厚度的目的。本发明人对该专利进行了验证，采用氧化铝纤维夹在碳化硅IGBT基板骨架上，再用刷了脱模剂的不锈钢板夹住，用螺杆拧紧，采用真空压力渗铝的方法，能实现铝碳化硅IGBT基板双面覆铝合金，但是，在该铝合金层上有大量的微细孔，化学镀镍磷合金后，仍可见微细孔，达不到应用要求。

发明内容

为了克服现有的碳化硅IGBT基板骨架覆铝存在的覆铝不均匀，铝合金层存在细孔影响质量等不足，本发明旨在提供一种碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置及双面覆铝方法，该渗铝装置及双面覆铝方法工艺简单，成本低，质量好、适用范围广。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置；其结构特点是，包括置于真空压力浸渗炉内的陶瓷坩埚，设置在陶瓷坩埚底部的带孔石墨板；装在陶瓷坩埚内的多块碳化硅IGBT基板骨架和多块不锈钢陶瓷组合板；相邻两块碳化硅IGBT基板骨架之间设有一块与之平行布置的所述不锈钢陶瓷组合板；所述陶瓷坩埚的侧壁上开有用于固定所述碳化硅IGBT基板骨架或不锈钢陶瓷组合板的卡槽；所述陶瓷坩埚内装有含硅质量分数大于13%的铸造铝合金。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

所述碳化硅IGBT基板骨架的体积分数为65%~75%。

作为一种具体的结构形式，所述不锈钢陶瓷组合板包括陶瓷板，位于陶瓷板两侧的不锈钢板；其中陶瓷板厚度为3mm~3.2mm，两侧的不锈钢板厚度均为0.5mm~1mm。

为了方便脱模，所述陶瓷坩埚内表面以及不锈钢陶瓷组合板外表面均设有脱模剂层。所述脱模剂层的脱模剂配方为氧化锌150g/L～200g/L,水玻璃150mL/L～200mL/L,余为去离子水。

为了保证覆铝的均匀度，相邻两个卡槽之间的距离为1mm~2.5mm。

为了方便脱模，所述卡槽从其根部到齿部具有斜度。

进一步地，本发明还提供了一种利用上述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置对碳化硅IGBT基板骨架进行双面覆铝的方法，该双面覆铝方法包括如下步骤：

1）在陶瓷坩埚底部放置带孔石墨板，并将碳化硅IGBT基板骨架和不锈钢陶瓷组合板***陶瓷坩埚的相应卡槽内；

2）将含硅质量分数大于13%的铸造铝合金放入陶瓷坩埚内；

3）关闭真空压力浸渗炉并抽真空，直到真空度为20Pa以下；

4）加热真空压力浸渗炉到750℃~850℃，保温80min~100min；此时，熔化的铝合金液面比碳化硅IGBT基板骨架高出至少20mm；

5）向真空压力浸渗炉内充入保护气体至炉内压力为7MPa~8MPa，保压15min~25min；

6）排放炉内的保护气体，冷却后取出铝碳化硅IGBT基板骨架坯件。

藉由上述结构，一种碳化硅IGBT骨架真空压力渗铝装置，包括带有卡槽的陶瓷坩埚；装在陶瓷坩埚的底部的带孔石墨板；体积分数为65%的碳化硅IGBT骨架；不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合；铝合金为含硅量大于13%的铸造铝合金。由此，带有卡槽的陶瓷坩埚的底部放1块有孔的石墨板，将碳化硅IGBT基板骨架和不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合分别交叉装入陶瓷坩埚的卡槽内，组成碳化硅IGBT基板骨架渗铝装置。

陶瓷坩埚经等静压成型后烧结而成，其材质为氧化铝或氧化铝与氧化硅的混合物。

陶瓷坩埚外形尺寸长×宽×高为（160～210 ）mm×100mm×（200～300 ）mm，壁厚为10mm，底部厚为20mm。

陶瓷坩埚内的卡槽：卡槽的长×宽为（3mm～5mm）×（5.0mm～5.2mm），间隔2 mm。

陶瓷坩埚内部刷氧化锌与水玻璃脱模剂，其中脱模剂配方为氧化锌150g/L～200g/L,水玻璃150mL/L～200mL/L,余为去离子水。

不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合：不锈钢板厚1mm，表面刷氧化锌与水玻璃脱模剂，其中脱模剂配方为氧化锌150g/L～200g/L，水玻璃150mL/L～200mL/L，余为去离子水。陶瓷板厚3.0mm～3.2mm，其材质为氧化铝或氧化铝与氧化硅的混合物。1件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合放入陶瓷坩埚内的1个卡槽。

在陶瓷坩埚内，先将1件碳化硅IGBT骨架装入第1个卡槽，再将1件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合装入第2个卡槽，再将1件碳化硅IGBT骨架装入第3个卡槽，按这种交叉方法装碳化硅IGBT骨架和不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合。将适量的含硅质量分数大于13%的铸造铝合金放在碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置内，再将碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置放入真空压力浸渗炉内，关闭真空炉上塞，开始抽真空，当真空度为20Pa以下时，开始加热，当温度达到750℃～850℃时，保温80min～100 min，此时，铝合金液面比碳化硅IGBT基板骨架上部高出20mm；然后向真空压力浸渍炉内加入氮气，其压力为7MPa～8MPa，保压15min～25min；保压结束后，放掉氮气并自然冷却至50℃以下时，取出碳化硅IGBT骨架渗铝装置，再将每件铝碳化硅IGBT基板坯件取出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明工艺简单，陶瓷坩埚可重复使用，成本比石墨坩埚低，适用范围广，可实现铝碳化硅IGBT基板的工业化生产。

在铝碳化硅IGBT基板上所得到的铝合金层厚为1mm～2mm，铝碳化硅复合材料的变形量小于0.11mm， 在铝合金层上采用机械加工的方法容易实现焊接平面具有铝合金，在另一面容易加工成球面。在铝碳化硅IGBT基板双面覆的铝合金具有平整、均匀、致密等特点，通过光学显微镜观察，无细微孔和裂纹等现象；对该产品做热震试验：从200℃保温1小时，取出放入室温的自来水中，往复10次后，通过光学显微镜观察，铝碳化硅IGBT基板与铝合金层无剥落和裂纹等现象；在铝碳化硅IGBT基板中取样检测：20℃～25℃时，热导率为185W/m·K；25℃→150℃时，热膨胀系数为7.1×10^-6/K；20℃～25℃时，抗弯强度423MPa。

本发明解决了铝碳化硅IGBT基板双面均匀覆铝合金的技术难题，陶瓷坩埚可重复使用，成本低，产量高，质量好，适合于批量生产。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明的铝碳化硅IGBT基板骨架加工的球面等高线测量数据图（中心点：Z值0.3936mm，偏心X值49.57%，偏心Y值54.24%）；

图2是本发明所述的陶瓷坩埚结构示意图；

图3是本发明所述不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板的组合示意图。

在图中

1-陶瓷坩埚；  2,3,4,5-卡槽；  6,8-不锈钢板； 7-陶瓷板。

具体实施方式

实施例1

四单元铝碳化硅IGBT基板外形尺寸为127mm×137mm×5mm，双面覆铝合金，焊接平面铝合金厚度0.03mm，另一面为球面，铝合金厚度最低为0.03mm，最高点为0.390mm。其步骤如下：

1、陶瓷坩埚设计

（1）如图2所示，陶瓷坩埚1经等静压成型后烧结而成，其材质为氧化铝或氧化铝与氧化硅的混合物。

（2）陶瓷坩埚外形尺寸长×宽×高为160mm×100mm×200mm，壁厚为10mm，底部厚为20mm，。

（3）陶瓷坩埚内的卡槽，如图2所示，卡槽2为长×宽为5mm×5.2mm，间隔2 mm，该卡槽从其根部到齿部有一定的斜度，便于脱模。

2、刷脱模剂

（1）将陶瓷坩埚加热至200℃，保温30min后取出，在其内部刷氧化锌与水玻璃脱模剂；

（2）将该坩埚再加热200℃，保温30min后再取出，再在其内部刷氧化锌与水玻璃脱模剂；

（3）将该坩埚再加热200℃，保温30min后，自然冷却。

其中脱模剂配方为氧化锌150g/L,水玻璃150mL/L,余为去离子水。

3、不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合

（1）不锈钢板131mm×141mm×1mm，其中不锈钢板厚为1mm,按上述方法在不锈钢板表面刷氧化锌与水玻璃脱模剂，其中脱模剂配方为氧化锌150g/L,水玻璃150mL/L,余为去离子水。

（2）陶瓷板131mm×141mm×1mm，其中陶瓷板厚3.0mm，其材质为氧化铝或氧化铝与氧化硅的混合物。

（3）1件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合如图3所示。

4、磨削碳化硅IGBT骨架平面

选用体积分数为65%的碳化硅IGBT骨架，其外形尺寸为131mm×141mm×5.5mm，磨成外形尺寸为131mm×141mm×4.8mm，清洗干净，再加热200℃，保温30min后自然冷却。

5、组成碳化硅IGBT骨架真空压力渗铝装置

如图2所示，在陶瓷坩埚1内，将有孔有石墨板平放入坩埚1底部与卡槽紧配合；将第1件碳化硅IGBT骨架装入图2中的卡槽2（第1个卡槽），再将第1件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合装入图2中的卡槽3（第2个卡槽），再将第2件碳化硅IGBT骨架装入第3个卡槽，按这种交叉方法装碳化硅IGBT骨架和不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合，直到第5件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合装入图2中的卡槽4，将第6件碳化硅IGBT骨架装入图2中卡槽5。本装置共有6件碳化硅IGBT骨架和5件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合。

6、将适量的含硅量为13%的铸造铝合金放在碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置内，再将碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置放入真空压力浸渗炉内，关闭真空炉上塞，开始抽真空，当真空度为19Pa时，开始加热，当温度达到750℃时，保温80min，此时，铝合金液面比碳化硅IGBT基板骨架上部高出20mm；然后向真空压力浸渍炉内加入氮气，其压力为7.5MPa,保压15min；保压结束后，放掉氮气并自然冷却至50℃以下时，取出碳化硅IGBT骨架渗铝装置，再将每件铝碳化硅IGBT基板坯件取出。

7、用铣床将单件铝碳化硅IGBT基板坯件表面不规则的铝合金加工平整。

8、用线切割机将外形尺寸为131mm×141mm的坯件线切割成127mm×137mm。

9、采用平面磨床将经过8处理的坯件磨焊接平面，直到铝合金层为0.03mm为止。

10、采用数控车床将经过9处理的坯件加工球面，铝合金层最低点为0.03mm，最高点为0.390mm。

在铝碳化硅IGBT基板的铝合金层上加工的球面等高线测量数据如图1所示（中心点：Z值0.3936mm，偏心X值49.57%，偏心Y值54.24%）。

本实施例在铝碳化硅IGBT基板上所得到的铝合金层有效厚度为1.5mm，铝碳化硅复合材料的变形量小于0.11mm, 在铝合金层上采用机械加工的方法实现了焊接平面具有0.03mm的铝合金层，在另一面加工成了球面，球面最低点有0.03mm的铝合金层，最高点0.390mm。在铝碳化硅IGBT基板双面覆的铝合金层具有平整、均匀、致密等特点，通过光学显微镜观察，无细微孔和裂纹等现象；对该产品做热震试验：从200℃保温1小时，取出放入室温的自来水中，往复10次后，通过光学显微镜观察，铝碳化硅IGBT基板与铝合金层无剥落和裂纹等现象；在铝碳化硅IGBT基板中取样检测：20℃～25℃时，热导率为185W/m·K；25℃→150℃时，热膨胀系数为7.1×10^-6/K；20℃～25℃时，抗弯强度423MPa。在铝碳化硅IGBT基板的铝合金层上加工的球面等高线测量数据如图1所示（中心点：Z值0.3936mm，偏心X值49.57%，偏心Y值54.24%）。

实施例2

六单元铝碳化硅IGBT基板外形尺寸为187mm×137mm×5mm，双面覆铝合金，焊接平面铝合金厚度0.03mm，另一面为球面，铝合金厚度最低为0.03mm ，最高点为0.390mm。其步骤如下：

1、陶瓷坩埚设计

（1）如图2所示，陶瓷坩埚1经等静压成型后烧结而成，其材质为氧化铝或氧化铝与氧化硅的混合物。

（2）陶瓷坩埚外形尺寸长×宽×高为210mm×100mm×300mm，壁厚为10mm，底部厚为20mm，。

（3）陶瓷坩埚内的卡槽，如图2所示，卡槽2为长×宽为5mm×5.2mm，间隔2 mm，该卡槽从根部到齿部有一定的斜度，便于脱模。

2、刷脱模剂

（1）将陶瓷坩埚加热至200℃，保温30min后取出，在其内部刷氧化锌与水玻璃脱模剂；

（2）将该坩埚再加热200℃，保温30min后再取出，再在其内部刷氧化锌与水玻璃脱模剂；

（3）将该坩埚再加热200℃，保温30min后，自然冷却。

其中脱模剂配方为氧化锌200g/L,水玻璃200mL/L,余为去离子水。

3、不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合

（1）不锈钢板191mm×141mm×1mm，其中不锈钢板厚为1mm,按上述方法在不锈钢板表面刷氧化锌与水玻璃脱模剂，其中脱模剂配方为氧化锌200g/L,水玻璃200mL/L,余为去离子水。

（2）陶瓷板191mm×141mm×1mm，其中陶瓷板厚3.2mm，其材质为氧化铝或氧化铝与氧化硅的混合物。

（3）1件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合如图3所示。

4、磨削碳化硅IGBT骨架平面

选用体积分数为75%的碳化硅IGBT骨架，其外形尺寸为191mm×141mm×5.5mm，磨成外形尺寸为191mm×141mm×4.8mm，清洗干净，再加热200℃，保温30min后自然冷却。

5、组成碳化硅IGBT骨架真空压力渗铝装置

如图2所示，在陶瓷坩埚1内，将有孔有石墨板平放入坩埚1底部与卡槽紧配合；将第1件碳化硅IGBT骨架装入图2中的卡槽2（第1个卡槽），再将第1件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合装入图2中的卡槽3（第2个卡槽），再将第2件碳化硅IGBT骨架装入第3个卡槽，按这种交叉方法装碳化硅IGBT骨架和不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合，直到第5件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合装入图2中的卡槽4，将第6件碳化硅IGBT骨架装入图2中的卡槽5。本装置共有6件碳化硅IGBT骨架和5件不锈钢板/陶瓷板/不锈钢板组合。

6、将适量的含硅质量分数为13.5%的铸造铝合金放在碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置内，再将碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置放入真空压力浸渗炉内，关闭真空炉上塞，开始抽真空，当真空度为17Pa时，开始加热，当温度达到850℃时，保温100min，此时，铝合金液面比碳化硅IGBT基板骨架上部高出20mm；然后向真空压力浸渍炉内加入氮气，其压力为8.0MPa,保压25min；保压结束后，放掉氮气并自然冷却至50℃以下时，取出碳化硅IGBT骨架渗铝装置，再将每件铝碳化硅IGBT基板坯件取出。

7、用铣床将单件铝碳化硅IGBT基板坯件表面不规则的铝合金加工平整。

8、用线切割机将外形尺寸为191mm×141mm的坯件线切割成187mm×137mm。

9、采用平面磨床将经过8处理的坯件磨焊接平面，直到铝合金层为0.03mm为止。

10、采用数控车床将经过9处理的坯件加工球面，铝合金层最低点为0.03mm，最高点为0.390mm。

本实施例在铝碳化硅IGBT基板上所得到的铝合金层有效厚度为1.6mm，铝碳化硅复合材料的变形量小于0.13mm, 在铝合金层上采用机械加工的方法实现了焊接平面具有0.03mm的铝合金层，在另一面加工成了球面，球面最低点有0.03mm的铝合金层，最高点0.390mm。在铝碳化硅IGBT基板双面覆的铝合金层具有平整、均匀、致密等特点，通过光学显微镜观察，无细微孔和裂纹等现象；对该产品做热震试验：从200℃保温1小时，取出放入室温的自来水中，往复10次后，通过光学显微镜观察，铝碳化硅IGBT基板与铝合金层无剥落和裂纹等现象；在铝碳化硅IGBT基板中取样检测：20℃～25℃时，热导率为180W/m·K；25℃→150℃时，热膨胀系数为7.0×10^-6/K；20℃～25℃时，抗弯强度395MPa。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置；其特征在于，包括置于真空压力浸渗炉内的陶瓷坩埚（1），设置在陶瓷坩埚（1）底部的带孔石墨板；装在陶瓷坩埚（1）内的多块碳化硅IGBT基板骨架和多块不锈钢陶瓷组合板；相邻两块碳化硅IGBT基板骨架之间设有一块与之平行布置的所述不锈钢陶瓷组合板；所述陶瓷坩埚（1）的侧壁上开有用于固定所述碳化硅IGBT基板骨架或不锈钢陶瓷组合板的卡槽（2,3,4,5）；所述陶瓷坩埚（1）内装有含硅质量分数大于13%的铸造铝合金。

2.根据权利要求1所述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置，其特征在于，所述碳化硅IGBT基板骨架的体积分数为65%~75%。

3.根据权利要求1所述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置，其特征在于，所述不锈钢陶瓷组合板包括陶瓷板（7），位于陶瓷板（7）两侧的不锈钢板（6,8）；其中陶瓷板（7）厚度为3mm~3.2mm，两侧的不锈钢板（6,8）厚度均为0.5mm~1mm。

4.根据权利要求1所述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置，其特征在于，所述陶瓷坩埚（1）内表面以及不锈钢陶瓷组合板外表面均设有脱模剂层。

5.根据权利要求1所述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置，其特征在于，相邻两个卡槽（2,3,4,5）之间的距离为1mm~2.5mm。

6.根据权利要求4所述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置，其特征在于，所述脱模剂层的脱模剂配方为氧化锌150g/L～200g/L,水玻璃150mL/L～200mL/L,其余为去离子水。

7.根据权利要求1-6之一所述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置，其特征在于，所述（2,3,4,5）卡槽从其根部到齿部具有斜度。

8.一种利用权利要求1~7之一所述的碳化硅IGBT基板骨架真空压力渗铝装置对碳化硅IGBT基板骨架进行双面覆铝的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在陶瓷坩埚（1）底部放置带孔石墨板，并将碳化硅IGBT基板骨架和不锈钢陶瓷组合板***陶瓷坩埚的相应卡槽（2,3,4,5）内；

2）将含硅质量分数大于13%的铸造铝合金放入陶瓷坩埚（1）内；

3）关闭真空压力浸渗炉并抽真空，直到真空度为20Pa以下；

4）加热真空压力浸渗炉到750℃~850℃，保温80min~100min，此时，熔化的铝合金液面比碳化硅IGBT基板骨架高出至少20mm；

5）向真空压力浸渗炉内充入保护气体至炉内压力为7MPa~8MPa，保压15min~25min；

6）排放炉内的保护气体，冷却后取出铝碳化硅IGBT基板骨架坯件。