[發(fā)明專利]陶瓷顆粒局部增強(qiáng)金屬熱沉及其制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410832026.2
• 申請(qǐng)日: 2014-12-26
• 公開（公告）號(hào): CN104493169A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 舒世立;佟存柱;單肖楠;汪麗杰;寧永強(qiáng);王立軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): B22F3/16
• 分類號(hào): B22F3/16;B22D19/02
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所22210
• 代理人: 王丹陽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器芯片封裝與散熱技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種陶瓷顆粒局部增強(qiáng)金屬熱沉及其制備方法。

背景技術(shù)

金屬熱沉，如Cu熱沉和Al熱沉，由于具有良好的導(dǎo)熱能力，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器芯片的封裝與散熱。然而，金屬熱沉的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體激光器芯片材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，將金屬熱沉與芯片焊接后，在焊接界面易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在激光器使用過程中，由于熱疲勞作用會(huì)顯著降低激光器的使用壽命。因此，為了使熱沉的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體激光器芯片的熱膨脹系數(shù)匹配，國(guó)內(nèi)外研究者開始在金屬熱沉中加入具有低膨脹系數(shù)的陶瓷顆粒，通過控制陶瓷顆粒的加入量，進(jìn)而控制熱沉的熱膨脹系數(shù)。然而，雖然陶瓷顆粒的加入降低了熱沉的熱膨脹系數(shù)，可以使其與半導(dǎo)體激光器芯片的熱膨脹系數(shù)匹配，但是陶瓷顆粒分布在整個(gè)熱沉中，在降低了熱沉的熱膨脹系數(shù)的同時(shí)，也會(huì)顯著降低了熱沉的導(dǎo)熱能力，無法使熱沉滿足高導(dǎo)熱低膨脹性能的要求，不利于半導(dǎo)體激光器長(zhǎng)時(shí)間高功率穩(wěn)定工作，限制了半導(dǎo)體激光器向大功率高集成方向快速發(fā)展。因此，亟需一種能滿足半導(dǎo)體激光器芯片焊接和散熱的具有低膨脹高導(dǎo)熱的熱沉用于半導(dǎo)體激光器的散熱與封裝。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決了現(xiàn)有技術(shù)中金屬熱沉引入陶瓷顆粒后，熱膨脹系數(shù)降低的同時(shí)導(dǎo)熱性能也顯著下降的問題，提供一種陶瓷顆粒局部增強(qiáng)金屬熱沉及其制備方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下。

陶瓷顆粒局部增強(qiáng)金屬熱沉，包括金屬熱沉和嵌入金屬熱沉內(nèi)的局部增強(qiáng)區(qū)，局部增強(qiáng)區(qū)的體積占陶瓷顆粒局部增強(qiáng)金屬熱沉總體積的10-30％；

所述金屬熱沉為Cu或Al；

所述局部增強(qiáng)區(qū)至少一個(gè)面裸露在金屬熱沉的表面，局部增強(qiáng)區(qū)由10-60vol.％的金屬和40-90vol.％陶瓷顆粒組成，所述金屬為Cu或Al，且與金屬熱沉的金屬相同，所述陶瓷顆粒為TiB₂、TiC或者混合物，所述混合物為物質(zhì)的量比為2:1的TiB₂和TiC。

優(yōu)選的是，所述金屬熱沉為長(zhǎng)方體，局部增強(qiáng)區(qū)為由A面、B面和C面組成的三面體，A面和B面為相互垂直的兩個(gè)平面，A面與金屬熱沉的上表面共面，B面與金屬熱沉的一個(gè)側(cè)面共面，C面與金屬熱沉緊密接觸。

陶瓷顆粒局部增強(qiáng)金屬熱沉的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將10-60vol.％的金屬粉料和40-90vol.％混合粉料加入混料機(jī)中，混合均勻后，加入模具中，壓制成型，得到壓坯；

所述金屬粉料為Cu粉或Al粉，Cu粉和Al粉的粒度均小于等于50μm；

所述混合粉料為Ti粉與B粉的混合物、Ti粉與C粉的混合物、Ti粉與B₄C粉的混合物中的一種，所述Ti粉與B粉的摩爾比為1:2，Ti粉與C粉的摩爾比為1:1，Ti粉與B₄C粉的摩爾比為3:1，Ti粉的粒度小于等于25μm，B粉、C粉和B₄C粉的粒度均小于等于5μm；

步驟二、將步驟一得到的壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中，對(duì)燒結(jié)爐抽真空后，充入1個(gè)以上大氣壓的惰性氣體，將燒結(jié)爐加熱到300℃保溫30min以上；

步驟三、將熔融的金屬液澆鑄到預(yù)熱后的放有壓坯的石墨模具中，淹沒壓坯，壓坯中的粉料發(fā)生反應(yīng)，生成局部增強(qiáng)區(qū)，冷卻至室溫，得到嵌有局部增強(qiáng)區(qū)的金屬熱沉；

當(dāng)步驟一中，所述金屬粉料為銅粉，步驟三所述熔融的金屬液為熔融的銅液，當(dāng)步驟一中，所述金屬粉料為鋁粉，步驟三所述熔融的金屬液為熔融的鋁液；

步驟四、從石墨模具中取出嵌有局部增強(qiáng)區(qū)的金屬熱沉，切割，使局部增強(qiáng)區(qū)至少一個(gè)面裸露在金屬熱沉的表面，且切割后的局部增強(qiáng)區(qū)的體積占切割后的局部增強(qiáng)區(qū)和切割后的金屬熱沉總體積的10-30％，得到陶瓷顆粒局部增強(qiáng)金屬熱沉。

優(yōu)選的是，所述步驟一的混合時(shí)間為6h以上，混料機(jī)的轉(zhuǎn)速為10-60r/min；更優(yōu)選的是，所述混合時(shí)間為6-8h。

優(yōu)選的是，所述步驟二中，保溫30-40min。

優(yōu)選的是，所述步驟二中，充入1-1.5個(gè)大氣壓的惰性氣體。

優(yōu)選的是，所述步驟二中，壓坯為圓柱形，石墨模具為圓柱形，壓坯放置在燒結(jié)爐中的石墨模具中后，壓坯與石墨模具的中心軸共線。

優(yōu)選的是，所述嵌有局部增強(qiáng)區(qū)的金屬熱沉切割后，金屬熱沉為長(zhǎng)方體，局部增強(qiáng)區(qū)成為由A面、B面和C面組成的三面體，A面和B面為相互垂直的兩個(gè)平面，A面與金屬熱沉上表面共面，B面與金屬熱沉的一個(gè)側(cè)面共面，C面與金屬熱沉緊密接觸。