金属陶瓷复合材料及金属陶瓷复合材料零件的制造方法

摘要

本发明公开了一种金属陶瓷复合材料及金属陶瓷复合材料零件的制造方法，该金属陶瓷复合材料，由以下成份按照质量配比组成：碳化硅76-92%、铝3-22.5%、硅0.4-0.8%、锌0.8-1.5%、镁0.1-1.6%、稀土0.2-1.5%。本发明提供的金属陶瓷复合材料，具有膨胀系数低、质量轻、散热率高的优点；而且经过反复的力学性能测试，证明该金属陶瓷复合材料还具有较高强度、良好的耐磨腐蚀性和耐磨性。将本发明应用在电子零件和部件上，可满足芯片封装、高功率电子材料及散热保护材料的性能要求，可改善芯片的散热性能，同时使芯片与基材有很好的热膨胀匹配，提高抗热冷循环冲击能力，延长器件的使用寿命。

说明书

  

技术领域

本发明涉及微电子技术设备材料和零部件生产及其材料结构领域，尤其是涉及一种芯片封装材料和部件生产领域和手持及便携式无线电用具壳体的生产领域 

背景技术

随着高宽度、高集成、大功率、小型化电子产品的发展，及半导体集成电路技术日新月异的发展，电子器件的散热问题集各部件材料热膨胀相互匹配问题日益突出。在芯片封装中，如何有效的克服热阻，把大量的热能向外界散发，芯片封装材料的选择和壳体材料化学成份的构成和匹配，显得尤为重要。 

通常的芯片封装材料和壳体材料一般是铝合金、铜合金、镍合金、陶瓷材料等，但这些材料很难同时满足高散热、低热膨胀系数、比重轻、高强度及一定的耐磨腐蚀性、耐磨性要求。 

  

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种高散热、低热膨胀系数、比重轻的金属陶瓷复合材料，以及应用了此材料的零件生产方法。 

为实现上述目的，本发明提供一种金属陶瓷复合材料，该金属陶瓷复合材料由以下成份按照质量配比组成： 

碳化硅              76-92%

铝                  3-22.5%；

硅                  0.4-0.8%；

锌                  0.8-1.5%

镁                  0.1-1.6%；

稀土                0.2-1.5%。

进一步来说，由以下成份按照质量配比组成： 

碳化硅              76-92%

铝                  6-22%；

硅                  0.4-0.8%；

锌                  0.8-1.5%

镁                  0.1-1.5%；

稀土                0.5-1.5%。

其中，所述稀土为稀土为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，钪(Sc)和钇(Y)中的一种或几种。 

其中，所述金属陶瓷复合材料由以下成份按照质量配比组成：碳化硅89%，铝6.2%，硅0.6%，锌1.5%，镁1.4%，铈1.3%。 

其中，所述金属陶瓷复合材料由以下成份按照质量配比组成：碳化硅84%，铝12%，硅0.6%，锌1.2%，镁1.1%，镧1.1%。 

其中，所述金属陶瓷复合材料由以下成份按照质量配比组成：碳化硅79%，铝18.4%，硅0.7%，锌0.7%，镁0.7%，钇0.5%。 

本发明还提供一种金属陶瓷复合材料零件的制造方法，包括以下几个步骤： 

步骤一，利用碳化硅材料制成具有微网格高通孔的制成体；

步骤二，将制成体放入热压力加工的上模具和下模具之间的空腔内；

步骤三，以步骤一中的碳化硅材料为基准，将铝、硅、镁和稀土按权利要求1中与所述的组分比例混合后，加热熔成半凝固状或液态的金属液；

步骤四，将金属液通过注入口注入上模具和下模具之间的空腔内，金属在压力下通过通孔微网眼渗入到制成体内部，凝固后形成金属陶瓷复合材料的零件初级胚；

步骤五，将初级胚进行热处理；

步骤六，将热处理后的初级胚再进行精细加工。

其中，所述步骤五具体为以下操作：将初级胚放入真空或非真空热处理炉中退火，并保温0.5-2小时。 

其中，步骤六还包括以下步骤：将热处理后的初级胚进行磨床粗加工、电脑加工中心粗加工、电脑加工中心精加工和激光机表面扫描精加工。 

其中，在步骤四中，利用高压液态金属注枪将金属液通过注入口注入上模具和下模具之间的空腔内的。 

相较于现有技术，本发明提供的金属陶瓷复合材料，具有膨胀系数低、质量轻、散热率高的优点；而且经过反复的力学性能测试，证明该金属陶瓷复合材料还具有较高强度、良好的耐磨腐蚀性和耐磨性。将本发明的金属陶瓷复合材料应用在电子零件和部件上，可满足芯片封装、高功率电子材料及散热保护材料的性能要求，可改善芯片的散热性能，同时使芯片与基材有很好的热膨胀匹配，提高抗热冷循环冲击能力，延长器件的使用寿命；尤其重要的是，本案在材料中加入了锌，可增加材料的流动性，有利于后续的操作。 

本发明提供的金属陶瓷复合材料零件的制造方法，先利用碳化硅材料制成具有微网格高通孔的制成体，再将其他材料通过通孔微网眼渗透到制成体中，凝固后即形成了金属陶瓷复合材料。以制成体为框架，其他组分在框架内混合充分均匀后，容易留有细小的间隙，有利于降低比重和降低热膨胀系数；整个工序做到了低成本和规模化生产，使生产出的产品具有先天的经济优势。尤其重要的是，本案在材料中加入了锌，可增加液态金属的流动性，使液态金属充分、迅速的流入制成体，使零件的性能均匀稳定。 

  

附图说明

图1为本发明的制成体的结构图； 

图2为本发明中将金属液注入空腔时的状态示意图；

图3为本发明提供的金属陶瓷复合材料零件的制造方法的流程图。

主要元件符号说明如下： 

11、制成体            111、通孔微网眼

12、上模具            13、下模具

14、注入口            15、半凝固状或液态的金属液

16、高压液态金属注枪

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。 

本发明提供的金属陶瓷复合材料的第一实施例，金属陶瓷复合材料由以下成份按照质量配比组成：碳化硅89%，铝6.2%，硅0.6%，锌1.5%，镁1.4%，铈1.3%。 

第二实施例，金属陶瓷复合材料由以下成份按照质量配比组成：碳化硅84%，铝12%，硅0.6%，锌1.2%，镁1.1%，镧1.1%。 

第三实施例，金属陶瓷复合材料由以下成份按照质量配比组成：碳化硅79%，铝18.4%，硅0.7%，锌0.7%，镁0.7%，钇0.5%。 

分别对上述三个实施例中的材料以及现有技术中的半导体材料、铝合金材料、不锈钢材料和纯陶瓷材料，分别进行导热率测量实验，热膨胀系数测量实验和比重测量实验，其实验结果如下表所示： 

 导热率热膨胀系数比重第一实施例165w/m-k5ppm/k3.0g/cm³第二实施例200w/m-k5.5ppm/k2.8g/cm³第三实施例185w/m-k6ppm/k2.9g/cm³铜合金材料400w/m-k15ppm/k8.9g/cm³铝合金材料160w/m-k25ppm/k2.8g/cm³不锈钢材料16w/m-k16.3ppm/k7.8g/cm³纯陶瓷材料20w/m-k8ppm/k3.5g/cm³

以上实验中的三个实施例，仅是在众多实施例中随机挑选的几个，以上数据并不是实际实验的所有数据，还有大量的实施例和现有技术例子没有列举，经过分析大量实验数据。实验数据表面：

1.铜合金的导热高（为400W/m-k），但其热膨胀率为15 ppm/k，远超过半导体材料的热膨胀率。另外一个缺点是比重太大，达8.9g/cm³;

2.铝合金的导热为（150-180W/m-k），但其热膨胀率为25 ppm/k，远超过半导体材料的热膨胀率，比重为2.8g/cm³;

3.不锈钢的导热为（16W/m-k），热膨胀率为16.3 ppm/k，导热很差，比重为7.8g/cm³，太重；

4.纯陶瓷材料导热也不好，一般也只有10-30W/m-k，热膨胀率为6-12 ppm/k，比重为2.8-4.2g/cm³，而本发明的金属复合材料能同时满足高导热（导热率140-230W/m-k）和低膨胀系数（4-8 ppm/k）。

5，而本发明的金属陶瓷复合材料，导热率为140-230W/m-k，热膨胀系数 为4-8 ppm/k，比重为 2.-3.1g/cm³。 

从上述数据中可以看出，相较于现有技术中的材料，本发明的金属陶瓷复合材料，具有膨胀系数低、质量轻、散热率高的优点；而且经过反复的力学性能测试，证明该金属陶瓷复合材料还具有较高强度、良好的耐磨腐蚀性和耐磨性。将本发明的金属陶瓷复合材料应用在电子零件和部件上，可满足芯片封装、高功率电子材料及散热保护材料的性能要求，可改善芯片的散热性能，同时使芯片与基材有很好的热膨胀匹配，提高抗热冷循环冲击能力，延长器件的使用寿命；尤其重要的是，本发明在材料中加入了锌，可增加材料的流动性，有利于后续的操作。 

此外，本发明还提供一种金属陶瓷复合材料零件的制造方法，包括以下几个步骤： 

步骤一，利用碳化硅材料制成具有微网格高通孔的制成体11；

步骤二，将制成体11放入热压力加工的上模具12和下模具13之间的空腔内；

步骤三，以步骤一中的碳化硅材料为基准，将铝、硅、镁和稀土按权利要求1中与的组分比例混合后，加热熔成半凝固状或液态的金属液15；

步骤四，将金属液通过注入口14注入上模具12和下模具13之间的空腔内，金属在压力下通过通孔微网眼111渗入到制成体11内部，凝固后形成金属陶瓷复合材料的零件初级胚；

步骤五，将初级胚进行热处理；

步骤六，将热处理后的初级胚再进行精细加工。

相较于现有技术，本发明提供的金属陶瓷复合材料零件的制造方法，先利用碳化硅材料通过添加造孔剂工艺、微波加热工艺、发泡法、溶胶-凝胶工艺等粉末冶金方法制成具有微网格高通孔的制成体11，再将其他材料通过通孔微网眼111渗透到制成体11中，凝固后即形成了金属陶瓷复合材料。以制成体11为框架，其他组分在框架内混合充分均匀后，容易留有细小的间隙，有利于降低比重和降低热膨胀系数；整个工序做到了低成本和规模化生产，使生产出的产品具有先天的经济优势。尤其重要的是，本发明在材料中加入了锌，可增加液态金属的流动性，使液态金属充分、迅速的流入制成体，使零件的性能均匀稳定。 

而且采用了权利要求1所述的金属陶瓷复合材料，具有膨胀系数低、质量轻、散热率高的优点；而且还具有较高强度、良好的耐磨腐蚀性和耐磨性。将本发明的金属陶瓷复合材料应用在电子零件和部件上，可满足芯片封装、高功率电子材料及散热保护材料的性能要求，可改善芯片的散热性能，同时使芯片与基材有很好的热膨胀匹配，提高抗热冷循环冲击能力，延长器件的使用寿命。 

具体来说，步骤五具体为以下操作：将初级胚放入真空或非真空热处理炉中退火，并保温0.5-2小时。对初级胚进行退火，可增加初级胚的韧性，降低硬度，改善切削加工性，有利于接下来的进一步机械加工。而保温0.5-2小时，是综合考虑退火性能和生产效率得出的最佳方案，但本发明的保温时间并不仅限于此，也可选择其他时长。 

进一步来说，步骤六还包括以下步骤：将热处理后的初级胚进行磨床粗加工、电脑加工中心粗加工、电脑加工中心精加工和激光机表面扫描精加工。经过步骤五的热处理后，初级胚的性能得到改善，降低了步骤六中的机械加工难度降低。激光机表面扫描精加工，可使零件达到更高精度的结合面；当然，不同零件有不同的精度要求，如果对结合面的精度要求不高，则可省去激光机表面扫描精加工。 

在步骤四中，利用高压液态金属注枪16将金属液通过注入口14注入上模具12和下模具13之间的空腔内的。高压液态金属注枪16使金属液以高速注入空腔内，金属液迅速充满空腔，使金属液能充分填满制成体11内的空腔，也能避免先进入制成体11的金属液先凝固，造成凝固不均匀。 

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。