CN111992832B - 一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，采用高压锻造法，在高温高压下将多孔碳化硅预制体浸透在铝合金的熔融金属中，控制浸渗压力和保压时间，冷却后脱模得到厚度3～7mm的铝碳化硅复合体；选用含镁元素的铝合金，控制铝水熔炼温度和模具温度，利用高压锻造法制备铝合金水冷齿板；采用焊接方式将制备的铝碳化硅复合体与制备的铝合金水冷齿板进行连接制成铝碳化硅水冷齿板。本发明通过焊接的方式将齿柱和铝碳化硅复合体平板底座连接，解决了传统工艺漏齿断齿的问题，焊接强度高，焊接孔洞率低，体现了本发明工艺的优越性。

Description

一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法

技术领域

本发明属于封装基板技术领域，具体涉及一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法。

背景技术

目前市场上混合动力汽车(HEV)，充电电动汽车(PEV)和轨道交通等通常使用电机驱动功率模块和IGBT模块，这些模块运行时会产生非常大的热量。为了冷却这些电子功率模块，市场上最有效的的方法采用的是水循环冷却。水冷齿板能够将功率模块上的大量的热用高效率的传导方式传导到冷却液中，从而构成冷却循环的重要组成部分。

目前铝碳化硅水冷齿板使用的是一次性一体浸渗成型的方式制备而来，此制备工艺在密闭的腔体内，将熔融的铝液真空渗压到模具中的多孔碳化硅平板和模具孔位中。由于水冷齿板模具中的孔位(齿位)密集，而且都是盲孔状态，在负压的情况下渗入的铝液容易出现不致密、漏齿、短齿等不良现象；同时该方法脱模困难，且少量循环后模具极易损坏，因此有良率低，成本高，大规模产业化推广难的问题。

另外，在将多孔碳化硅预制体浸渗铝液并冷却时，由于平板部分(铝碳化硅复合体)和齿部分(铝合金)的热膨胀系数差距大而产生的热应力发生残留，造成脱模困难并出现裂痕等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，解决传统一体化工艺制备铝碳化硅复合体的水冷齿板在成型过程中漏齿、短齿、断齿和脱模困难，良品率低等难题。

本发明采用以下技术方案：

一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用高压锻造法，在高温高压下将多孔碳化硅预制体浸透在铝合金的熔融金属中，控制浸渗压力和保压时间，冷却后脱模得到厚度3～7mm的铝碳化硅复合体；

S2、选用含镁元素的铝合金，控制铝水熔炼温度和模具温度，利用高压锻造法制备铝合金水冷齿板；

S3、采用焊接方式将步骤S1制备的铝碳化硅复合体与步骤S2制备的铝合金水冷齿板进行连接制成铝碳化硅水冷齿板。

具体的，步骤S1中，铝合金的加热温度为720～760℃，多孔碳化硅预制体的加热温度为700～740℃，浸渗压力为1～5Mpa，保压时间为30～60分钟。

具体的，步骤S1中，多孔碳化硅预制体的体积率为55％～70％。

具体的，步骤S1中，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为50～150μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米。

具体的，步骤S1中，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为50～100μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米。

具体的，步骤S2中，控制铝水熔炼温度为680～720℃，模具加热温度为 220～280℃，注射压力为20～30Mpa，保压时间10～20s，出模冷却得到压铸好的铝合金水冷齿板。所述的铝碳化硅水冷齿板的制备方法，其特征在于，步骤S2中，铝合金水冷齿板的平板面厚度为300～500μm，铝合金水冷齿板无齿面的平面度＜40μm。

具体的，步骤S3中，使用真空钎焊，在氧气含量低于50pp情况下，预热温度为200～250℃，然后控制钎焊温度为600～615℃完成钎焊。

具体的，步骤S3中，制备的铝碳化硅水冷齿板的孔洞率＜0.5％。

具体的，铝合金中含质量百分数0.5％～2.5％的镁元素。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，通过组合钎焊的方式，先将水冷齿板的结构拆分为平板状的铝碳化硅复合体底座和铝合金水冷齿两个部分，使用浸渗和压铸的方式分别对两部分成型。由于铝碳化硅复合体的平板结构简单，从而可以降低浸渗所需的压力，而且脱模简单。而铝合金齿部分用传统的金属压铸方式，简单高效，并且结构致密，良品率和性能有所提升。再用钎焊的对两个部件进行焊接拼装，由于焊接面自带铝层，相当于同种金属之间的焊接，难度低，特别适合规模化推广。

进一步的，选用高压锻造法，即在高压容器内填装多孔碳化硅预制体，在高温高压下浸透在铝合金的熔融金属中而获得铝碳化硅复合体，得到的预制体结构致密，表面铝层针孔等缺陷少，有益于保证焊接强度。

进一步的，体积率为55％～70％，保证所需的的导热系数和热膨胀系数。

进一步的，铝合金层的平均厚度和平面度＜50微米，表面平整度小，减小焊接难度，提高钎焊的力学强度。

进一步的，优选平均厚度为50～100μm，保证表面铝层的一定厚度，有利于钎焊加工、表面电镀的拉拔强度、附着力。后期产品使用中，减少因为使用疲劳造成的变形，弯曲。

进一步的，铝水熔炼铝水熔炼温度略高于铝的熔点，保证铝水的完全熔融状态。模具的预热、加热温度的控制，保证铝水在模具中的流动性，减少铝的冷隔、压铸不足等缺陷，不过高的模具温度，增加模具的使用寿命，和减少保压时间，提高生产效率。保压时间和注射压力，和模具温度、模具尺寸、铝水温度和流动性相关。

进一步的，铝合金水冷铝合金水冷齿板的平板面厚度以及无齿面的平面度＜ 40μm，表面平整度小，减小焊接难度，提高钎焊的力学强度。

进一步的，控制钎焊中的氧气含量，避免铝在钎焊过程中的氧化。预热过程中排出产品表面的水分，避免钎焊中的缺陷，增加钎焊效率。钎焊温度和所选的钎料的熔融焊接点温度相关。

进一步的，铝碳化硅水铝碳化硅水冷齿板的孔洞率＜0.5％，孔洞率越低，导热系数和抗弯、抗拉强度越高，热膨胀系数稳定。

进一步的，铝合金中含质量百分数0.5％～2.5％的镁元素设，增加一定量的镁元素，可增强铝的拉伸强度、可焊接性以及铝液和碳化硅的润湿性。

综上所述，本发明通过焊接的方式将齿柱和铝碳化硅复合体平板底座连接，解决了传统工艺漏齿断齿的问题，焊接强度高，焊接孔洞率低，体现了本发明工艺的优越性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为碳化硅陶瓷坯板图；

图2为铝碳化硅符合陶瓷平板底座图；

图3为铝合金水冷齿图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图4为铝碳化硅符合陶瓷平板底座和铝合金水冷齿结合示意图；

图5为铝碳化硅复合陶瓷水冷齿板图；

图6为焊接后的水冷齿板平面超声探伤图。

具体实施方式

本发明提供了一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，制备过程中将水冷齿板的平板部分和齿部分开。在真空负压的条件下浸渗出平板的铝碳化硅复合体平板，由于形状简单，容易脱模，不易出现浸渗不密实等缺陷。以压铸的方式制备出铝合金的水冷齿部分，使用焊接方式将两个不同部分紧密的焊接成型。本发明提供的水冷齿板新型制备工艺，脱模容易效率高，浸渗压力低，有效的解决传统制备工艺中成品率低，资源浪费的现象。

本发明一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，通过金属焊接方法把铝碳化硅复合体和铝合金齿主面连接，焊接界面为同种金属连接，能够防止铝碳化硅主面和铝合金齿部主面发生剥离，具体步骤如下：

S1、采用高压锻造法，在高温高压下将多孔碳化硅预制体浸透在铝合金的熔融金属中制得铝碳化硅复合体；

将铝合金放入坩埚中加热到720～760℃，将多孔碳化硅预制体放入模具中加热至700～740℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为1～5Mpa，保压时间30～60分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的铝-碳化硅复合体。

铝碳化硅复合体的制造方法一般有浸渍法和粉末冶金法。在本发明中优选浸渍法，能够获得热传导特性充分的产品。请参阅图1和图2，选用体积率为 55％～70％的多孔碳化硅预制体，从考虑高的热传导性和铝液润湿性的方面考虑，优选含镁质量百分数0.5％～2.5％的铝合金；将多孔碳化硅预制体浸透在铝合金液体中制成铝碳化硅复合体，铝碳化硅复合体在室温下的热膨胀系数＜12×10^-6/K， 25℃的弯曲强度在300MPa以上。

铝碳化硅复合体的厚度为3～7mm；铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为50～150μm，优选50～100μm。

通常对铝碳化硅复合体的表面进行研削加工而将铝层的厚度调整为优选值；为保证焊接的强度，焊接面平面度＜50微米时，焊料渗透到复合体内部，发生变形；若平均厚度超过150μm，平板自身热膨胀变大可靠性下降。

S2、选用含镁元素的铝合金，利用高压锻造法制备铝合金水冷齿板；

请参阅图3，选用含镁质量百分数0.5％～2.5％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为680～720℃，模具温度为220～280℃，注射压力为20～30Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板。

为了满足焊接强度要求，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为300～500μm，通过研削获得优选值。特别的，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm，保证焊接要求的贴合性。

S3、采用焊接方式将步骤S1制备的铝碳化硅复合体与步骤S2制备的铝合金水冷齿板进行连接制成铝碳化硅水冷齿板。

钎料选用Al-Si-Mg系列焊料，首先对焊面进行抛光处理，再用化学溶剂清理表面油污和残渣，使用铝钎剂对表面氧化膜进行清理，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热200～250℃烘干水分，钎焊温度为 600～615℃，完成钎焊；钎焊完成后，使用甲醇溶剂对表面残渣和焊剂进行清洗，再用清水洗净，烘干即可，钎焊完成，如图4和图5所示。

请参阅图6，对于本发明的焊接结合性能，采用超声波探伤确认焊接层缺陷状态，确保焊接层无孔洞和裂痕。制备的铝碳化硅水冷齿板的孔洞率＜0.5％，满足应用要求，进一步说明方案的可行性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将含镁质量百分数0.5％的铝合金放入坩埚中加热到720℃，将体积率为55％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至700℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为1Mpa，保压时间30分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为3mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为50μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数0.5％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为680℃，模具温度为220℃，注射压力为20Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为300μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热200℃烘干水分，钎焊温度为600℃，完成钎焊，制得孔洞率＜0.5％的铝碳化硅水冷齿板。

实施例2

将含镁质量百分数0.8％的铝合金放入坩埚中加热到730℃，将体积率为58％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至705℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为2Mpa，保压时间35分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为4mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为80μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数0.8％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为690℃，模具温度为230℃，注射压力为22Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为350μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热210℃烘干水分，钎焊温度为605℃，完成钎焊，制得孔洞率＜0.5％的铝碳化硅水冷齿板。

实施例3

将含镁质量百分数1.0％的铝合金放入坩埚中加热到740℃，将体积率为60％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至710℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为3Mpa，保压时间40分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为5mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为100μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数1.0％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为700℃，模具温度为240℃，注射压力为24Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为400μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热220℃烘干水分，钎焊温度为608℃，完成钎焊，制得孔洞率＜0.5％的铝碳化硅水冷齿板。

实施例4

将含镁质量百分数1.5％的铝合金放入坩埚中加热到750℃，将体积率为64％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至720℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为3Mpa，保压时间50分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为5mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为120μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数1.5％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为700℃，模具温度为260℃，注射压力为26Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为420μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热230℃烘干水分，钎焊温度为610℃，完成钎焊，制得孔洞率＜0.5％的铝碳化硅水冷齿板。

实施例5

将含镁质量百分数2.0％的铝合金放入坩埚中加热到760℃，将体积率为68％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至730℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为4Mpa，保压时间55分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为6mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为140μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数2.0％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为710℃，模具温度为270℃，注射压力为28Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为480μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热240℃烘干水分，钎焊温度为612℃，完成钎焊，制得孔洞率＜0.5％的铝碳化硅水冷齿板。

实施例6

将含镁质量百分数2.5％的铝合金放入坩埚中加热到760℃，将体积率为70％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至740℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为5Mpa，保压时间60分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为7mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为150μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数2.5％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为720℃，模具温度为280℃，注射压力为30Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为500μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热250℃烘干水分，钎焊温度为615℃，完成钎焊，制得孔洞率＜0.5％的铝碳化硅水冷齿板。

比较例1

将含镁质量百分数0.5％的铝合金放入坩埚中加热到720℃，将体积率为55％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至700℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为0.5Mpa，保压时间30分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为3mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为50μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数0.5％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为680℃，模具温度为220℃，注射压力为20Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为300μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热200℃烘干水分，钎焊温度为600℃，完成钎焊。

比较例2

将含镁质量百分数2.0％的铝合金放入坩埚中加热到760℃，将体积率为45％的多孔碳化硅预制体放入模具中加热至730℃；将加热后的铝液坩埚和多孔碳化硅预制体模具，按上下顺序进入高压密闭的设备中，控制浸渗压力为4Mpa，保压时间55分钟，待模具冷却后，脱模取出浸渗好的厚度为6mm的铝-碳化硅复合体，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为140μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米；

选用含镁质量百分数2.0％的铝合金，控制铝水熔炼的温度为710℃，模具温度为270℃，注射压力为28Mpa，保压时间10s，出模冷却，得到压铸好的铝合金水冷齿板，铝合金水冷齿板的平板面的厚度为480μm，铝合金水冷齿板的无齿面平面度＜40μm；

选用Al-Si-Mg系列焊料，使用真空钎焊设备，保证在氧气含量低于50pp情况下，预热240℃烘干水分，钎焊温度为628℃，完成钎焊，制得孔洞率＜0.5％的铝碳化硅水冷齿板。

表1铝碳化硅复合体性能参数

表2水冷齿板性能参数

以上实施例和比较例性能参数说明了本发明工艺所得产品导热率好，焊接强度高，焊接孔洞率低，能够满足IGBT等领域应用要求。

综上所述，本发明一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，通过把纯铝齿柱和铝碳化硅复合体分开制造，再进行焊接得到得到铝碳化硅水冷齿板。纯铝齿板的制造能够有效避免断齿，漏齿，针孔和脱模难的问题，有效提高了成品率。通过本发明限定的满足水冷齿板焊接要求的铝碳化硅复合体和齿柱，指标范围广，且两部分接合性好，提高了产品良率。

本发明所公开的量纲和数值不应理解为所述精确值的严格限制，除非另外说明，每个这样的量纲旨在表示所述值和围绕改值的功能上等同的范围。例如，公开为“10s”的量纲旨在表示“约10s”。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用高压锻造法，在高温高压下将多孔碳化硅预制体浸透在铝合金的熔融金属中，控制浸渗压力和保压时间，冷却后脱模得到厚度3～7mm的铝碳化硅复合体，铝合金的加热温度为720～760℃，多孔碳化硅预制体的加热温度为700～740℃，浸渗压力为1～5Mpa，保压时间为30～60分钟，多孔碳化硅预制体的体积率为55％～70％；

S2、选用含镁元素的铝合金，铝合金中含质量百分数0.5％～2.5％的镁元素，控制铝水熔炼温度和模具温度，利用高压锻造法制备铝合金水冷齿板，控制铝水熔炼温度为680～720℃，模具加热温度为220～280℃，注射压力为20～30Mpa，保压时间10～20s，出模冷却得到压铸好的铝合金水冷齿板；

S3、采用焊接方式将步骤S1制备的铝碳化硅复合体与步骤S2制备的铝合金水冷齿板进行连接制成铝碳化硅水冷齿板，使用真空钎焊，在氧气含量低于50pp情况下，预热温度为200～250℃，然后控制钎焊温度为600～615℃完成钎焊。

2.根据权利要求1所述的铝碳化硅水冷齿板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为50～150μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米。

3.根据权利要求1所述的铝碳化硅水冷齿板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，铝碳化硅复合体中铝合金层的平均厚度为50～100μm，铝碳化硅复合体的焊接面平面度＜50微米。

4.根据权利要求1所述的铝碳化硅水冷齿板的制备方法，其特征在于，步骤S2中，铝合金水冷齿板的平板面厚度为300～500μm，铝合金水冷齿板无齿面的平面度＜40μm。

5.根据权利要求1所述的铝碳化硅水冷齿板的制备方法，其特征在于，步骤S3中，制备的铝碳化硅水冷齿板的孔洞率＜0.5％。

Images