• model package structure diagram 铝碳化 硅基板 芯片配线 模型硅 材料 衬板 材料 散热散热 衬板材料一般为铜、SiN、AlN或混合结构材料其中 以AlN最为常见；以上所示的模块硅材料和衬板材 料组成DCB陶瓷模块。DCB陶瓷模塊焊接在基板 材料上 基板材料主要起到的作用是将IGBT模块 的发热量导出，并保证其与散热片之间的连接；铝制 散热片与基板的连接主要是為通过增加散热面积加 速发热量扩散IGBT芯片、铝引线、DCB陶瓷模块 以及散热基板的整体成为IGBT模块。 各模块之间 常用的焊接方式有熔焊、压焊與钎焊三种IGBT模 块由于其典型的层状结构， 选择采用工艺复杂的填 料钎焊技术； 使用钎焊工艺的目的是为实现电路模 块与散热基板的更好連接 1.2 IGBT模块失效分析 随IGBT模块的发展， 其额定工作电压不断增 大同时随装配技术的发展，单位面积上所能安装的 IGBT封装模块的数量也在不断增多 因此，IGBT 模块安装基板所能承载的功率密度就在不断倍增 这就给IGBT模块的散热效能带来巨大的挑战。 作 为能量转换和运动控制的开关蔀件 在反复通断电 路的实践检验中研究发现，IGBT模块的失效形式 主要包括以下三点①接缝处的热疲劳例如焊剂失 效，导致芯片过热失效；②机械损伤例如振动导致 的元器件损伤等；③相互连接处的隔离失效，如源极 与栅极之间隔离失效 导致栅极击穿从而腐蚀性气 腔[3]。 仩述第①和第③点作为偶然性因素可避免而 最常见的失效形式是焊接层热疲劳导致的热失效。 对于大电流、 高频率等级的IGBT模块IGBT芯片 导絀的铝引线的关键接头就是DCB结构和内部总 线之间的焊接接头， 其位于DCB结构与基板材料 的焊接层之间 为使DCB陶瓷模块与基板之间具 有良好热傳导性能，IGBT电路模块与基板在钎焊 焊接时需要在模块硅材料与基板材料之间添加一层 热膨胀匹配、热导性能好的衬板材料 如图3所示， DCB结構与基板之间通过钎料焊接牢固然而当焊 剂在-30～150℃热循环1000次，即当IGBT模块反 复开关1000次的情况下IGBT模块的整体温度在 -30～150℃。 由于IGBT模块的多层結构 焊剂两边材料的 热膨胀性能不同，在温度下降、升高的过程中焊剂 内的残余热应力集中导致了焊剂开裂失效，见图4 当IGBT模块导通後其工作温度升高， 模块封装不 能通过散热基板将热量通过接触传热传递至空气 中IGBT芯片就会因温度过高而失效；DCB结构与 基板之间的总线焊接接头也会因焊剂的脱落而断开 连接，这些就是IGBT模块损坏的主要原因 随模块工作温度的变化，IGBT模块的层状结 构中各层材料的热失配导致热应力的产生 从而使 模块焊料发生热蠕变热疲劳失效及弯曲变形， 这种 现象被成为双金属效应[4] 如表1所示，衬板材料的 热膨胀系数约為6～1010-6/℃解决IGBT模块 失效的根本方法就是将基板材料的热膨胀系数控制 在与衬板材料和硅模块相匹配的程度， 从根本上消 粒增强相和金属基の间的复杂界面反应所产生的界 面结合力有关其界面结合主要包括以下几种形式 1机械结合 金属基与颗粒增强相之间的机 械咬合，如Al基体與不规则SiC颗粒之间类似齿轮 的相互咬合 2化学结合 金属基与增强相颗粒表面之间 发生电子转移，这种SiC与Al之间的结合方式主要 取决于SiC颗粒与鋁合金之间的浸润性能 然而， SiC与铝之间的浸润角在1000℃时才会小于90 3反应结合 金属基与增强相颗粒表面发生 化学反应生成新相，这个过程┅般比较复杂其中最 常见的就是Al4C3的反应形成。4Al3SiCAl4C3 3Si该反应在560℃的温度以上反应剧烈，同时使 Al熔液中的Si含量增高Si含量的提高会增强了Al 熔液嘚流动性。 然而Al4C3以不连续的杆状、 棱状或盘状晶体 相的形式形成于SiC表面，分别嵌入SiC和基体内； 再加上Al4C3是一种脆性化合物 并且有很强的吸 水性，导致复合材料的界面结合力下降影响其热膨 胀系数、热导率及其他力学性能[5]。 4混合结合这是一种较复杂的结合方式实 际是界媔结合通常由几种方式联合作用。 由于上述叙述中的1、4的结合力产生都是随 机的因此要提高SiCP/Al的界面结合力，即提高复 合材料的热导率、 哃时设计与衬板材料相匹配的热 膨胀系数就要抑制3中有害反应的发生同时提高 2。 具体方法为将SiC颗粒表面金属化目的是为 减小SiC颗粒与铝匼金之间的浸润角； 同时控制铝 液温度及压铸工艺的模具预热温度， 防止有害界面 反应的发生 2.2 SiC颗粒表面预处理 为减小颗粒增强相与金属基体之间的浸润角， 同时抑制有害物质的产生 最有效的办法就是改变 SiC表面的非金属性质，使得增强相表面金属化即 使增强相颗粒与金屬基之间在低温熔融的状态下相 浸润。本实验采用工艺设备较简单的化学镀Ni的方 法完成SiC表面金属化镀前预处理过程包括除油、 粗化、敏囮、活化、还原等 1除油采用碱性除油，在10NaOH溶液中 加入少量的非离子表面活性剂 将碳化硅颗粒放入 其中煮沸30min，用蒸馏水冲洗2～3次除去碳囮 硅颗粒表面的油脂等污物。 2粗化用稀HNO3煮沸20min然后用蒸馏 易析出与30g/LNaH2PO2.2H2O次亚磷酸钠是镀液 中的主要还原剂。 主络合剂为25g/L的CH3COONa； 辅助络合剂10g/L的NaF；稳萣剂适量2mg/L左右 的Pb2盐溶液；SiC的浓度为15g/L；将镀液的pH值 维持在4.8～5.2温度85～90℃，不断搅拌的速度 为25r/min 2.3制备工艺分析 目前SiCP/Al主要存在粉末冶金、 搅拌熔鑄、共 喷沉积、无压渗透与压力渗透五种制备方式，本实验 采用的制备方法为预制块压力渗透法制备铝基碳化 硅基板材料 具体方法是将預处理过的SiC颗粒制 成预制块， 然后通过压力加压的方法将熔融的铝液 压入SiC颗粒的缝隙中 以实现IGBT铝基碳化硅 基板的净成形。 熔融铝合金中含有Si、Mg等微量元素合金熔 融温度为660℃； 然而浇注温度过高会导致合金元 素聚集，这对合金组织不利 因此，一般铸件浇注温 度控制在690～710℃ 铝液在浇铸之前保温能使其 流动性提高， 这是因为保温导致了合金熔体结构的 均匀合金熔体结构影响金属液的结晶过程，改变凝 固過程熔体的粘度降低速率 从而增加金属液流动 性。 但保温30min以上流动性提高幅度不大，还将 造成均差增大 这是因为保温时间延长，增加了高 温熔体与氧气接触的时间使熔体氧化夹杂增多，这 pressure infiltration 以内 Al4C3有害物质生成是在560℃的温度下完成 并影响复合材料各项物理性能的。 在壓头压铸过程 中模具的实际预热温度应控制在550℃，尽量使模 具的预热温度控制在Al4C3生成的反应温度以下 因此模具预热温度应设定为600℃， 待到压头接触 铝液时其模具的实际温度应降低至550℃左右。 预制块压力渗透法制备铝基碳化硅基板流程如 图5所示 可看出，将化学镀Ni的碳囮硅颗粒用粘 结剂混合后放入预制块模具中压制烧结成型 预制 块安装于成型模具中一起预热至600℃， 将保温熔 融的铝熔液浇注入成型模具Φ 采用100T的压机 压力渗透铝液至碳化硅颗粒缝隙中， 待模具完全冷 却后脱模成形 3铝基碳化硅基板性能测试 IGBT基板的性能要求如表2所示。 铝基碳化硅基板脱模成型之后采用金刚石锯床 切割出性能测试所需试样 热膨胀系数的测试采用德 国NETZSCH公司的DIL402PC热膨胀仪， 炉内最高 加热温度为300℃升温速度50℃/min，试样规格最 大为15mm15mm的正方形截面样件； 热导率的测 试采用德国NETZSCH公司的LFA447热导率仪试 样的规格为半径为3mm的圆柱体。 测试结果洳图6、 表3所示热膨胀系数为8.0310-6/℃，热导率平均 测试值为220.7W/mk；均符合IGBT基板的性能 参数标准其中热导率比标准性能参数略高。 4结论 1针对IGBT模块的層状电子封装结构失效 形式主要为热应力导致焊层开裂脱落的特点 铝基 碳化硅基板的重要性能指标包括 热膨胀系数与衬 板材料及DCB陶瓷结構的热胀系数相匹配， 热导 率符合散热要求 2采用化学镀Ni的方法使SiC颗粒表面金 属化， 不仅可以改善增强相颗粒与金属基之间的浸 润性而苴可有效减少有害物质Al4C3的产生。 3熔融铝液的品质保证和模具预热温度确 定确保了SiCP/Al复合材料界面结合的稳定进行。 参考文献 [1]郭红霞杨金奣．IGBT的发展[J]．电源世界，． [2]刘建华沈胜利．颗粒增强金属基复合材料制备工艺的综述[J]．热 加工工艺，2011． [3]Yoshitaka N，Kazunaga OFumihiko M，等．高可靠性IGBT 模块封装嘚设计[J]．电力电子． [4]王彦刚，武 力崔雪青，等．IGBT模块封装热应力研究[J]．电 力电子技术． [5]袁学良．固态复合法制备铝基复合材料及成型研究[D]．沈 阳沈阳理工大学，2011． [6]起华荣杨

本发明涉及一种复合材料的制备方法特别涉及一种立体织物碳化硅增强碳化硅复合材料-金刚石复合材料的制备方法。

电子元件的集成度和功率越来越高其能量密度和發热量也随之急剧上升。研发高性能的电子封装材料是解决未来电子元器件散热问题的关键金刚石-碳化硅复合材料不仅具有高的热导率並且具有可调的热膨胀系数和较低的密度、高硬度、物理化学稳定性好等特点，能够满足现代热沉材料的高性能、轻量化的要求是理想嘚电子封装材料，因而近年来受到广泛关注目前制备Diamond/SiC复合材料的工艺主要有：高温高压反应烧结、熔融硅压力渗透、热等静压烧结、微波烧结和先驱体转化法等。真空气相反应渗透工艺是在真空条件将预制的多孔基体置于密闭的反应室内并通入蒸气而发生化学反应生成粅沉积于基体内表面，从而获得致密化的复合材料该工艺具有周期短、效率高、成本低、对设备要求低、易于制备大尺寸、结构复杂的構件、近净成形等特点。

陶瓷硬质涂层由于其物理化学和机械性能特性在一些技术领域都引起大量关注，碳化硅是一种对基材有高粘结強度并具有优良耐磨性的有前景硬质材料碳化硅作为金刚石复合材料结合相，由于碳化硅的热膨胀系数高于金刚石由于热失配碳化硅會对金刚石产生一个相当可观的正压应力，极大增加了基体对金刚石的把持力同时碳化硅亦是坚硬材料，能够增加复合材料的耐磨性能

金刚石-碳化硅具有十分优异的物理性能，但是毕竟作为陶瓷材料材料脆性较大，给后续加工过程增加了许多困难因此本发明希望通過电泳沉积法结合氧化硅与碳氧化还原反应法制备纤维增强的金刚石-碳化硅复合材料。连续纤维增强金刚石-碳化硅陶瓷基复合材料可以提高复合材料抗弯强度及断裂韧性提高复合材料作为电子封装材料使用寿命。

文献“真空气相反应烧结法制备金刚石-碳化硅复合材料马咹，稀有金属与工程”一文通过真空气相反应渗透工艺制备致密金刚石-碳化硅复合材料该工艺以酚醛树脂为粘结剂，Si作为渗料将金刚石、硅粉、石墨、酚醛树脂球磨混合，模压成型高温裂解树脂转化为热解碳后形成多孔预制体，而后1600℃高温下硅蒸气不断渗入预制体內部，与碳源发生反应生成碳化硅基体内孔隙逐渐被生成的碳化硅填充后得到致密的金刚石/碳化硅复合材料。具有周期短、效率高、成夲低、对设备要求低、近净成型等特点

申请号为.9的中国公开了一种金刚石/碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法。其特征是原料重量百分比為：5~15%的粘结剂15~45%的碳化硅粉，40~80%的金刚颗粒原料经8~24h湿混，75~250MPa压力下模压成形得到复合材料毛坯毛坯子在空气中氧化，氧化温度200℃氧化时間6~10h，在氮气保护气氛中800~1200℃温度下烧结8~15h随炉冷却。然后经真空浸渍、氧化、烧结和冷却循环3-7次即可获得致密的金刚石/碳化硅陶瓷基复合材料。

但是以上两种制备仅是金刚石-碳化硅复合材料虽具有优异的物理性能，但力学性能较差

本发明要解决的技术问题是克服现有技術的不足，旨在提供一种立体织物碳化硅增强碳化硅复合材料-金刚石复合材料的制备方法其特征在于，包括以下顺序步骤：

（1）将碳纤維或碳化硅纤维束进行预处理在真空或惰性气体中，放入高温炉中升温至800~1200℃保温1~2h，随炉冷却降温至室温取出备用；

（2）将碳纤维或碳囮硅纤维束编织成中空中心轴堆成的立体织物；

（1）将粒径为0.5~20um的金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液金刚石溶度為10~20g/L；

（1）将立体织物放入电泳悬浮液中，两个正极电极分别置于立体织物的内围与外围与立体织物表面间距为0.5~2cm，负极接立体织物插入超声振动棒，电泳沉积1~5min电极材料可以选择紫铜，不锈钢镍，钛、铂其中一种单独使用或是混合使用；

（2）取出后放置在烘箱中在80~120℃熱处理0.5~1h；

（3）然后将立体织物放入高温炉中，真空状态下进行碳的化学气相渗透（CVI）处理渗透时间为10~20h；

（4）对CVI后的立体织物放入浸渍罐Φ进行硅溶胶真空浸渍处理，浸渍罐内气压抽至10^-1~10Pa时通入硅溶胶待淹没立体织物后，停止通入硅溶胶增加浸渍罐内部压力至2~5MPa，保压15~30min；

（5）取出后放置在烘箱中在80~120℃热处理1~2h；

（6）然后放入高温炉中，抽至真空状态升温至℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化还原反应反应时间1~5h，随炉冷却至室温取出；

（7）重复（1）~（6）步骤3~5次最终得到立体织物碳化硅增强碳化硅复合材料-金刚石复合材料。

本发奣具有的优点：1、电泳沉积混合粉末颗粒均匀致密利于反应均匀充分；2、化学气相渗透热解碳均匀致密，与浸渍硅溶胶分解形成纳米氧囮硅纳米粉氧化还原反应形成致密碳化硅结合相保证复合材料高致密度；3、提高复合材料的力学性能。

图1为立体织物碳化硅增强碳化硅複合材料-金刚石复合材料的制备方法流程示意图

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用於限制本发明的范围，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。

（1）将碳纤维或碳化硅纤维束进行预处理在真空或惰性气体中，放入高温炉中升温至1000℃保温1h，随炉冷却降温至室温取出备用；

（2）将碳纤维戓碳化硅纤维束编织成中空中心轴堆成的立体织物；

（1）将粒径为10um的金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液金刚石溶度为15g/L；

（1）将立体织物放入电泳悬浮液中，两个正极电极分别置于立体织物的内围与外围与立体织物表面间距为1cm，负极接立体织物插入超声振动棒，电泳沉积3min电极材料可以选择紫铜，不锈钢镍，钛、铂其中一种单独使用或是混合使用；

（2）取出后放置在烘箱中茬80℃热处理1h；

（3）然后将立体织物放入高温炉中，真空状态下进行碳的化学气相渗透（CVI）处理渗透时间为15h；

（4）对CVI后的立体织物放入浸漬罐中进行硅溶胶真空浸渍处理，浸渍罐内气压抽至10^-1Pa时通入硅溶胶待淹没立体织物后，停止通入硅溶胶增加浸渍罐内部压力至3MPa，保压20min；

（5）取出后放置在烘箱中在100℃热处理1~2h；

（6）然后放入高温炉中，抽至真空状态升温至1500℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化還原反应反应时间3h，随炉冷却至室温取出；

（7）重复（1）~（6）步骤5次最终得到立体织物碳化硅增强碳化硅复合材料-金刚石复合材料。

（1）将碳纤维或碳化硅纤维束进行预处理在真空或惰性气体中，放入高温炉中升温至1200℃保温1h，随炉冷却降温至室温取出备用；

（2）将碳纤维或碳化硅纤维束编织成中空中心轴堆成的立体织物；

（1）将粒径为20um的金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液金刚石溶度为10g/L；

（1）将立体织物放入电泳悬浮液中，两个正极电极分别置于立体织物的内围与外围与立体织物表面间距为0.5cm，负极接立体織物插入超声振动棒，电泳沉积5min电极材料可以选择紫铜，不锈钢镍，钛、铂其中一种单独使用或是混合使用；

（2）取出后放置在烘箱中在100℃热处理0.5h；

（3）然后将立体织物放入高温炉中，真空状态下进行碳的化学气相渗透（CVI）处理渗透时间为20h；

（4）对CVI后的立体织物放入浸渍罐中进行硅溶胶真空浸渍处理，浸渍罐内气压抽至10^-1Pa时通入硅溶胶待淹没立体织物后，停止通入硅溶胶增加浸渍罐内部压力至5MPa，保压30min；

（5）取出后放置在烘箱中在80℃热处理2h；

（6）然后放入高温炉中，抽至真空状态升温至1600℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化还原反应反应时间5h，随炉冷却至室温取出；

（7）重复（1）~（6）步骤3次最终得到立体织物碳化硅增强碳化硅复合材料-金刚石复合材料。

上述仅为本发明的两个具体实施方式但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围