CN105097559B - 碳系金属基复合材料基板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳系金属基复合材料基板及其制造方法。根据本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板的制造方法包括：按事先设定的预定厚度切割碳系金属基复合材料本体的步骤；在所述本体表面，一体地形成金属层的步骤；以及对形成有所述金属层的所述本体表面进行加工的步骤，并提供一种以此方法制造的碳系金属基复合材料基板。

Description

碳系金属基复合材料基板及其制造方法

技术领域

本发明涉及碳系金属基复合材料基板及其制造方法，尤其涉及一种与复合材料基板一体地形成金属层，为碳系金属基复合材料赋予热传导性的同时，强化所述复合材料强度，可提高使用者作业效率、降低脆性、增强强度的碳系金属基复合材料基板及其制造方法。

背景技术

通常对于发生频繁开关(On-Off)动作的电力IGBT(insulated gate bipolarmode transistor，绝缘栅双极晶体管)模块、通信用高频模块、电源控制芯片(powercontrol chip)、照明用大功率LED等各种电子装置来说，散热问题是非常重要的问题。为了解决散热问题，有关方面一直在致力于开发热传导性高，热膨胀系数低的散热基板。

通常，为了制造热传导性高、热膨胀系数低的散热基板，把铜-钼-铜(Cu-Mo-Cu)、铜-钨(Cu-W)等铜系合金或接合材料作为母材使用。

这种铜系合金材料散热基板由于合金材料本身的比重高，基板的重量增大，致使装置的重量大，不利于大型化。

而且，由于基板由铜系合金材料形成，后续加工时，容易形成毛刺(Burr)，需要进行去除毛刺的作业，增加加工时间和成本。

铜系合金材料基板由于合金素材的热膨胀系数和热传导率固定不变，即便实施合金，也很难维持热膨胀系数的同时提高热传导率。

因此，最近把金属基复合材料(metal matrix composite，MMC)作为基板使用。金属基复合材料相对于铜合金基板重量轻，制造时可以调节热传导率、热膨胀系数。这种金属基复合材料通过多孔预成型体含浸熔融金属，以预成型体的空隙所占比例，控制金属基的相对比例，可按各种产品的需求，获得所需的热传导率、热膨胀系数。

为了以所述金属基复合材料制造基板，需要进行基板化加工，按规定的尺寸或表面条件，加工成薄板形状，以便分别单独安装(COB，Chip-on-board)或以电路形式安装半导体、LED及用电元件等。为了把个别芯片或电路板通过焊接(Soldering)或共晶接合(Eutectic Bonding)固定在基板上，在基板的最外层表面形成有由金属材料构成的金属层为宜。

碳系金属基复合材料虽然比金属轻、热传导率高，但是强度比金属材料差。另外，碳系金属基复合材料脆性高，在振动或外部冲击下容易破损，很难适用于汽车移动通信产品的散热材料。

为了解决这一问题，有必要开发出一种强化碳系金属基复合材料强度的同时，赋予热传导性的技术。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的发明，其目的在于提供一种碳系金属基复合材料基板及其制造方法，在碳系金属基复合材料上一体地形成金属层，并制造基板，降低碳系金属基复合材料的脆性，提高强度的同时提高加工效率。

本发明的技术课题不受限于上述内容，未提及的其他技术课题可通过下面的说明可以得到更明确的理解。

为了达到上述目的，本发明提供一种碳系金属基复合材料基板的制造方法，其包括：按事先设定的预定厚度切割碳系金属基复合材料本体的步骤；在所述本体表面，一体地形成金属层的步骤；以及对形成有所述金属层的所述本体表面进行加工的步骤。

在所述切割的步骤中，维持所述本体的切割过程中变糙的粗糙面，在所述形成金属层的步骤中，在所述粗糙面上形成所述金属层。

所述形成金属层的步骤中，通过镀金工序一体地形成所述金属层。

在所述形成金属层的步骤中，通过真空蒸镀工序一体地形成所述金属层。

为了达到上述目的，本发明提供一种碳系金属基复合材料基板，其包括：以碳系金属基复合材料按预定厚度切割形成的本体；一体地形成在所述本体两面的金属层。

在所述本体的表面，在切割过程中，形成有平均平面粗度变高的粗糙面，扩大形成所述金属层时的接合面积。

所述金属层通过镀金工序一体地形成在所述本体的两面。

所述金属层通过真空蒸镀工序一体地形成在所述本体的两面。

所述金属层的两面形成有按事先设定的厚度加工的加工面。

其他实施例的具体事项，包括在具体实施方式及附图中。

本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板及其制造方法，在碳系金属基复合材料上一体地形成金属层后，进行加工，制造基板，可以降低碳系金属基复合材料的脆性、提高强度的同时，可以提高加工效率。

本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板及其制造方法，按事先设定的预定厚度，切割碳系金属基复合材料后，在切割面上，不做任何研磨加工，形成金属层，利用切割时在切割面上形成的粗糙度，扩大与一体形成的金属层接合的面积，从而提高接合力的同时，可以降低加工次数，并可以提高生产率。

另外，以与含浸在碳系金属基复合材料的金属相同的金属或可湿性(wettability)优秀的金属，通过镀金或真空蒸镀，一体地形成金属层，提高与含浸熔融金属之间的相互紧贴性，可以按一定水平维持碳系金属基复合材料的热传导性和热膨胀系数的同时，提高强度。

另外，在碳系金属基复合材料上一体地形成金属层后，对形成在基板外侧面的金属层进行后续加工，没必要直接加工脆性高的碳系金属基复合材料，而是对形成在碳系金属基复合材料***的金属层进行加工，可以降低加工成本，提高加工速度，可以提高加工效率。

另外，在加压含浸有熔融金属的碳系金属基复合材料切割粗糙面上，以与含浸金属相同或相容性高的金属一体地形成金属层，可以维持碳系金属基复合材料固有热学特征—热传导性和热膨胀系数的同时，提高机械强度，且由于在粗糙表面形成金属层，可以通过表面改质提高接合性能。

本发明的效果不受限于上面叙述的内容，未提及的其他效果，可通过权利要求更加得到更加明确的理解。

附图说明

图1是本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板的制造方法的流程图。

图2是图1的碳系金属基复合材料基板制造方法中，通过复合体切割步骤切割的碳系金属基复合材料结构图。

图3是图1的碳系金属基复合材料基板的制造方法中，通过金属层形成步骤，把金属层形成在碳系金属基复合材料上的状态示意图。

图4是图1的碳系金属基复合材料基板制造方法中，通过表面加工步骤加工金属层表面的状态示意图。

图5是根据本发明一实施例的图1的流程图，制造的碳系金属基复合材料基板剖面图。

符号说明

100：基板 110：本体

111：粗糙面 120：金属层

121：加工面

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明。对于本领域技术人员来讲，根据下面的说明，容易实施本发明。

说明实施例的过程中，省略本发明所属技术领域公知的技术内容及与本发明没有直接关联的技术内容的说明，这是为了避免不必要的说明模糊本发明的要旨。

本发明的附图有可能存在夸张或省略的结构，或者是概略图。且，结构的大小并非反应实际大小。各个附图中相同或相对应的结构赋予相同的符号。

下面，参照附图，对本发明各实施例的碳系金属基复合材料基板的制造方法进行详细说明。

图1是本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板的制造方法流程图。图2是图1的碳系金属基复合材料基板的制造方法中，通过复合体切割步骤切割的碳系金属基复合材料结构图。图3是图1的碳系金属基复合材料基板的制造方法中，通过金属层形成步骤，把金属层形成在碳系金属基复合材料上的状态示意图。图4是图1的碳系金属基复合材料基板的制造方法中，通过表面加工步骤加工金属层表面的状态示意图。

如图1至图4所示，本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板的制造方法包括本体切割步骤(S110)、金属层形成步骤(S120)和表面加工步骤(S130)。

本体切割步骤(S110)是按事先设定的预定厚度，切割复合材料本体110的步骤。形成本体110的碳系金属基复合材料通过把具有空隙的碳系材料含浸在金属中制造。

比如，以具有空隙的原材料石墨(Graphite)、碳棒(carbon)、碳化硅(siliconcarbide)等带空隙的碳系材料制造预成型体。把预成型体设置在熔融金属(molten metal)中后，在投入熔融的含浸金属的状态下，进行加压，让熔融的含浸金属含浸于所述预成型体，制造碳系金属基复合材料。这里，作为含浸金属可以使用铝、铜等。

所述通过金属含浸、加压制造碳系金属基复合材料的方法，只是为了说明提示的一例，本发明不受限于此。

制造碳系金属基复合材料后，按事先设定的基板厚度进行切割。

比如，根据基板100所适用的领域，按各种大小，以0.2～10.0mm左右的各种厚度，通过使用金刚石或钢丝(steel wire)的多线切割机(Multi Wire Saw)及多钢带锯(multisteel bandsaw)等多片切割(multiblade dicing)装置，实施本体110切割加工。

复合材料切割步骤(S110)中，保留本体110的切割时变糙的粗糙面111，以加大接合面积的状态，通过金属层形成步骤(S120)形成金属层120。。

粗糙面111的粗糙度为平均表面粗度(Ra)0.1～3.00μm为宜，其增加本体110与金属层120之间的接合面积，从而可以增加接合力。

如果通过切割发生的粗糙面111的粗糙度无法满足形成金属层120所需粗糙度要求，则可以通过蚀刻(etching)等化学方法或喷砂(sand blast)等物理方法，进行外加粗糙度加工工序。

金属层形成步骤(S120)是在本体110的表面一体地形成金属层120的步骤。在本体的表面—上下面，一体地形成金属层，可以提高碳系金属基复合材料强度的同时，赋予其导电性。

比如，形成于本体110的金属层120以剖面为准，以10μm～300μm厚度形成为宜。即，如果形成在本体110的金属层120厚度小于10μm，则有可能降低强化本体110的强化效果，如果厚度超过300μm，则很难维持本体110的热传导和热膨胀特性。因此金属层120的厚度为10μm～300μm为宜。

所述金属层120形成在本体110的上下面，强化本体110强度的同时，让本体维持热传导及热膨胀性能为宜。

这里，本体110如果是含浸有金属的碳系金属基复合材料，则根据含浸的金属，选择相同的金属或与其之间的紧贴性或可湿性(wettability)优秀的金属，形成金属层120。即，如果以铜或铝含浸，则选择与铜或铝相同的金属或与该金属的紧贴性和可湿性优秀的金属，以选择的金属在本体110上一体地形成金属层120，最大限度地维持本体110固有热学特征的同时，提高机械强度。

所述金属层形成步骤(S120)中，为了在本体110上一体地形成金属层120，可以使用镀金方法及真空蒸镀方法。

作为金属层形成步骤(S120)的一实施例，如果使用镀金方法，则在本体110的切割形成的粗糙面111上，通过熔融镀金或电解镀金工序，以按含浸金属的种类选择的金属，一体地形成金属层120。

即，根据加压含浸在本体110中的金属——铝和铜的特性，为了提高镀金的紧贴性或可湿性(wettability)，从化学镀或电镀性铜、镍、铬、锌、锡及其他合金中，选择将要镀金的金属，把选择的金属镀在带粗糙面111的本体110表面，形成金属层120，本体110与金属层120形成一体化，提高接合效率。

作为金属层形成步骤(S120)的一实施例，如果使用真空蒸镀方法，则在本体110的切割的粗糙面上，通过真空蒸镀，以适合于蒸镀在含浸金属的金属，一体地形成金属层120。

即，在真空环境下，支撑本体110后，熔化铜、铝、镍、铬、钼、钛钨/钨(TiW/W)等蒸镀金属，使之蒸发，让蒸发的金属附着在本体110上，通过冷凝，形成金属层120。这里，作为真空蒸镀方法可以使用E-Beam或溅射(sputtering)法。

表面加工步骤(S130)是按基板100的大小和厚度标准，对形成有金属层120的本体110表面进行加工的步骤。即，在本体110的上下部形成金属层120后，按使用的要求的厚度，实施表面加工。

具体地，对形成有金属层120的本体110，按需要的厚度加工，形成加工面121。比如，通过研磨及抛光(polishing)，加工表面。即，适用使用碳化硅、金刚石、硅石、铈、氧化铝系列的研磨材料，进行湿式/干式及两面/单面研磨工序，让厚度满足最终要求。

通过这些加工得到的金属层120厚度，按最终强度及热学层面可信度要求，可以加工成初始金属层120厚度的10～80％厚度，表面形成Ra 0.05～3μm左右的平均粗度及必要时可以形成隔面。

下面，参照附图，对本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板进行说明。

图5是根据本发明一实施例的图1流程图，制造的碳系金属基复合材料基板剖面图。

如图5所示，本发明一实施例的碳系金属基复合材料基板100包括碳系金属基复合材料本体110及金属层120。

本体110按基板的厚度切割碳系金属基复合材料形成。

比如，在具有相同于基板100形状的板状结构的石墨、碳棒、碳化硅材质预成型体中，加压含浸铝或铜等金属，形成本体110。

为了一体地形成金属层120，扩大接合面积，在所述本体110的表面，形成有粗糙度大的粗糙面111。粗糙面111是，按基板的大小和厚度，切割本体110时产生的，不进行加工，直接使用切割面，从而可以不进行其他加工的情况下增加接合面积。

如果通过切割发生的粗糙面111在金属层120的粗糙度无法满足一体形成金属层120所需要求时，则可以通过蚀刻等化学方法或喷砂等物理方法，进行外加粗糙度加工工序。

粗糙面111的粗糙度为平均平面粗度(Ra)0.1～23.00μm为宜，其增加本体110与金属层120之间的接合面积，从而增加接合力。

金属层120形成在本体110的外侧，一体地形成在本体的两面。比如，如果本体110由加压含浸金属的碳系金属基复合材料形成，则以相同于所述含浸金属的金属一体地形成所述金属层120。

所述金属层120形成在本体110上的厚度，满足强化本体110强度的同时，维持热传导及热膨胀功能的要求为宜。

比如，形成于本体110的金属层120以剖面为准，以10μm～300μm厚度形成为宜。即，如果形成在本体110的金属层120厚度小于10μm，则有可能降低强化本体110的强化效果，如果厚度超过300μm，则很难维持本体110的热传导和热膨胀特性。因此金属层120的厚度为10μm～300μm为宜。

如果使用含浸有铜或铝合金的碳系金属基复合材料本体110，则以性质与铜或铝相同的金属形成金属层120，最大限度地维持本体110固有热学特征的同时，提高机械强度。

所述金属层120，可以通过熔化金属镀金的方式，一体地形成在所述本体110上。

即，根据加压含浸在本体110中的金属——铝和铜的特性，为了提高镀金的紧贴性或可湿性(wettability)，从化学镀或电镀性铜、镍、铬、锌、锡及其他合金中，选择将要镀金的金属，把选择的金属镀在具有粗糙面111的本体110表面，形成金属层120，本体110与金属层120形成一体化，提高接合效率。

所述金属层120，可以通过真空蒸镀的方式，把熔化的金属真空蒸镀在本体110上形成。

即，在真空环境下，支撑本体110后，熔化铜、铝、镍、铬、钼、钛钨/钨(TiW/W)等蒸镀金属，使之蒸发，让蒸发的金属附着在本体110上，通过冷凝，形成金属层120。这里，作为真空蒸镀方法可以使用E-Beam或溅射法。

在金属层120的外面，可以按基板100的大小和厚度进行加工，形成加工面121。即，对形成有金属层120的本体110，按需要的厚度加工，比如，通过研磨及抛光，加工表面。即，适用使用碳化硅、金刚石、硅石、铈、氧化铝系列的研磨材料，进行湿式/干式及两面/单面研磨工序，让厚度满足最终要求。

通过这些加工得到的金属层120厚度，按最终强度及热学层面可信度要求，可以加工成初始金属层120厚度的10～80％厚度，表面形成Ra 0.05～3μm左右的平均粗度及必要时可以形成隔面。

最后应说明的是：本说明书及附图仅对本发明的优选实施例进行了说明，虽使用了特定术语，但其只是表示一般的意思，是为了易于说明本发明的技术方案以及有助于对发明的理解，而非对其保护范围进行限制；除了在此公开的实施例，基于本发明的技术思想的其他实施例也可以实施，这对于本领域的普通技术人员是显而易见的。

Claims (7)

1.一种碳系金属基复合材料基板的制造方法，包括：

按事先设定的预定厚度切割碳系金属基复合材料本体的步骤；

在所述本体表面，一体地形成金属层的步骤；以及

对形成有所述金属层的所述本体表面进行加工的步骤，

其中，在所述切割的步骤中，维持所述本体的切割过程中变糙的粗糙面，在所述形成金属层的步骤中，在所述粗糙面上形成所述金属层。

2.根据权利要求1所述的碳系金属基复合材料基板的制造方法，其中，所述形成金属层的步骤中，通过镀金工序一体地形成所述金属层。

3.根据权利要求1所述的碳系金属基复合材料基板的制造方法，其中，在所述形成金属层的步骤中，通过真空蒸镀工序一体地形成所述金属层。

4.一种碳系金属基复合材料基板，包括：

本体，以碳系金属基复合材料按预定厚度切割形成；

金属层，一体地形成在所述本体的两面，

其中，在所述本体的表面，在切割过程中，形成有平均平面粗度变高的粗糙面，且扩大形成所述金属层时的接合面积。

5.根据权利要求4所述的碳系金属基复合材料基板，其中，所述金属层通过镀金工序一体地形成在所述本体的两面。

6.根据权利要求4所述的碳系金属基复合材料基板，其中，所述金属层通过真空蒸镀工序一体地形成在所述本体的两面。

7.根据权利要求4所述的碳系金属基复合材料基板，其中，所述金属层的两面形成有按事先设定的厚度加工的加工面。