一种硅铝合金内置冷却结构及其成型方法与流程

1.本技术涉及电子信息工业用的电子封装材料技术领域，尤其涉及一种硅铝合金内置冷却结构及其成型方法。


背景技术：

2.随着我国航天航空和电子产业的快速发展，军用大功率电子器件得到了更广泛领域应用。而电子产品和电子系统的集成化发展，封装体积越来越小，密度越来越大，使得的器件微小型化发展依赖于先进电子封装技术的进步，封装技术已成为半导体行业发展的关键。对于大功率器件解决散热成为了最关键和最迫切的目标。这就迫切要求研发出性能优异，可满足大功率器件封装管壳体积小和散热好，以及在高温下不影响封装材料膨胀伸缩性能的新型电子封装材料，以满足巨大的市场需求和发展空间。


技术实现要素：

3.本技术的目的是提供一种热导率、热膨胀系数及焊接性良好的硅铝合金内置冷却结构的成型方法。
4.为了实现上述至少之一的目的，本技术第一方面的实施例提供了一种硅铝合金内置冷却结构的成型方法，包括如下步骤：
5.制备冷却管，将金属液注入到冷却管内，并将冷却管的两端封堵；
6.将硅粉与铝粉按照比例进行混合制成混合粉；
7.制备铝包套，在铝包套的底部铺设第一设预设厚度的混合粉；
8.将装有金属液的冷却管放置于铝包套中的混合粉上；
9.向铝包套内铺设第二设预设厚度的混合粉，并覆盖装有金属液的冷却管；
10.将铝包套密封，并放入制造炉中；
11.将制造炉内的压力提升到预设压力，制造炉内的温度提升到第一预设温度，并保温预设时间；
12.逐渐降低制造炉内的温度，并降低制造炉内的压力，制成预成件；
13.对预成件处理，将处理后的预成件置于第二预设温度下，并将金属液从冷却管内放出，制成冷却结构。
14.在其中的一些实施例中，在将硅粉与铝粉按照比例进行混合制成混合粉的步骤中，所述混合粉中的所述硅粉的质量百分含量为40％～60％、所述铝粉的质量百分含量为40％～60％。
15.在其中的一些实施例中，所述将硅粉与铝粉按照比例进行混合制成混合粉的步骤包括如下具体步骤：
16.将质量百分含量为25％～30％的硅粉及70％～75％的铝粉混合制成第一材料混合粉；
17.将质量百分含量为45％～55％的硅粉及45％～55％的铝粉混合制成第二材料混
合粉；
18.将质量百分含量为65％～75％的硅粉及25％～35％的铝粉混合制成第三材料混合粉；
19.所述制备铝包套，在铝包套的底部铺设第一设预设厚度的混合粉的步骤具体包括：
20.制备铝包套，在铝包套的底部依次铺设第三材料混合粉及第二材料混合粉，形成第一设预设厚度的混合粉层；
21.所述向铝包套内铺设第二设预设厚度的混合粉，并覆盖装有金属液的冷却管的步骤具体包括：
22.所述向铝包套内依次铺设第二材料混合粉及第一材料混合粉，形成第二设预设厚度的混合粉层，第二材料混合粉覆盖装有金属液的冷却管。
23.在其中的一些实施例中，所述将制造炉内的压力提升到预设压力，制造炉内的温度提升到第一预设温度，并保温预设时间的步骤包括如下具体步骤：
24.向制造炉内充氩气将制造炉内的压力提升到100mpa；
25.将制造炉内的温度提升到400℃，并保温1小时；
26.将制造炉内的温度提升到500℃，并保温5小时。
27.在其中的一些实施例中，所述逐渐降低制造炉内的温度，并降低制造炉内的压力，制成预成件的步骤包括如下具体步骤：
28.将制造炉内的温度降到400度，并保温1小时；
29.将制造炉内的温度降到350度，且将金属液从冷却管内放出，并保温2小时；
30.将制造炉内的温度降到200度，并保温3小时，回收氩气；
31.将制造炉内的温度降到150度，并保温1小时；
32.将制造炉内的温度降到100度，并保温3小时；
33.将预成件取出，并冷却到室温。
34.本技术第二方面的实施例提供了一种冷却结构，硅铝合金基体；以及冷却管，所述冷却管内嵌于所述硅铝合金基体内；所述硅铝合金基体及所述冷却管采用如上述任一项所述的成型方法一体铸造成型。
35.在其中的一些实施例中，所述硅铝合金基体包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
36.铝40％～60％；
37.硅40％～60％。
38.在其中的一些实施例中，所述硅铝合金基体包括依次设置的第一层、第二层及第三层；
39.所述第一层包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
40.铝70％～75％；
41.硅25％～30％；
42.所述第二层包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
43.铝45％～55％；
44.硅45％～55％；
45.所述第三层包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
46.铝25％～35％；
47.硅65％～75％。
48.在其中的一些实施例中，所述冷却管内嵌于所述第二层内。
49.在其中的一些实施例中，在过所述冷却管轴线的横截面上，所述冷却管的横截面积不超过所述硅铝合金基体的横截面面积的40％。
50.本技术的上述技术方案具有如下优点：硅粉与铝粉按照比例混合并通过一体成型工艺制成内置有冷却管的冷却结构，冷却结构与硅铝合金粉采用一体成型工艺制成的结构更加紧密，即硅铝合金基体与冷却管之间无间隙，从而使硅铝合金基体吸收的热力能够快速地进入冷却管内，并从冷却管中排出，保证了冷却结构能够快速地吸收热量对目标进行降温。另外，通过调整硅粉与铝粉的混合比例可制成具有低热膨胀系数和高热导率的硅铝合金材料，从而使硅铝合金材料相比于其他的导热材料在相同体积的情况下具有更好的散热效率，且在高温下硅铝合金材料的体积变化较小，因此，采用上述硅铝合金材料制成的硅铝合金基体，一方面，在满足散热要求的情况下，冷却结构能够做的更小，从而能够对小型的电子件散热，不会导致电子件的体积过大，另一方面，在高温下硅铝合金基体的体积变化较小，不会因温度的剧烈变化而变形和撕裂，保证了产品的使用寿命。
附图说明
51.本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，另外，本技术附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。其中：
52.图1是本技术所述硅铝合金内置冷却结构第一视角的剖视结构示意图；
53.图2是本技术所述硅铝合金内置冷却结构第二种视角的第一种实施例的剖视结构示意图；
54.图3是本技术所述硅铝合金内置冷却结构第二种视角的第二种实施例的剖视结构示意图。
55.其中，图1至图3的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
56.硅铝合金基体10，第一层11，第二层12，第三层13，冷却管20。
具体实施方式
57.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
58.下述讨论提供了本技术的多个实施例。虽然每个实施例代表了申请的单一组合，但是本技术不同实施例可以替换，或者合并组合，因此本技术也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含a、b、c，另一个实施例包含b和d的组合，那么本技术也应视为包括含有a、b、c、d的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
59.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
60.本技术第一方面的实施例提供的硅铝合金内置冷却结构的成型方法，包括如下步骤：
61.步骤s10，制备冷却管，将金属液注入到冷却管内，并将冷却管的两端封堵。
62.步骤s20，将硅粉与铝粉按照比例进行混合制成混合粉。
63.步骤s30，制备铝包套，在铝包套的底部铺设第一设预设厚度的混合粉。
64.步骤s40，将装有金属液的冷却管放置于铝包套中的混合粉上。
65.步骤s50，向铝包套内铺设第二设预设厚度的混合粉，并覆盖装有金属液的冷却管。
66.步骤s60，将铝包套密封，并放入制造炉中。
67.步骤s70，将制造炉内的压力提升到预设压力，制造炉内的温度提升到第一预设温度，并保温预设时间。
68.步骤s80，逐渐降低制造炉内的温度，并降低制造炉内的压力，制成预成件。
69.步骤s90，对预成件处理，将处理后的预成件置于第二预设温度下，并将金属液从冷却管内放出，制成冷却结构。具体地，将铝包套进行切割，然后再300℃温度下释放金属液，制成冷却结构，保证冷却结构具有较高的抗拉强度和致密性。
70.本技术提供的硅铝合金内置冷却结构的成型方法，硅粉与铝粉按照比例混合并通过一体成型工艺制成内置有冷却管的冷却结构，冷却结构与硅铝合金粉采用一体成型工艺制成的结构更加紧密，即硅铝合金基体与冷却管之间无间隙，从而使硅铝合金基体吸收的热力能够快速地进入冷却管内，并从冷却管中排出，保证了冷却结构能够快速地吸收热量对目标进行降温。另外，通过调整硅粉与铝粉的混合比例可制成具有低热膨胀系数和高热导率的硅铝合金材料，从而使硅铝合金材料相比于其他的导热材料在相同体积的情况下具有更好的散热效率，且在高温下硅铝合金材料的体积变化较小，因此，采用上述硅铝合金材料制成的硅铝合金基体，一方面，在满足散热要求的情况下，冷却结构能够做的更小，从而能够对小型的电子件散热，不会导致电子件的体积过大，另一方面，在高温下硅铝合金基体的体积变化较小，不会因温度的剧烈变化而变形和撕裂，保证了产品的使用寿命。
71.在本技术的一个实施例中，在步骤s20中：混合粉中的硅粉的质量百分含量为40％～60％、铝粉的质量百分含量为40％～60％。优选地，硅粉的质量百分含量为50％、铝粉的质量百分含量为50％。
72.采用上述比例的硅粉与铝粉混合可制成具有低热膨胀系数和高热导率的硅铝合金基体，一方面，在满足散热要求的情况下，冷却结构能够做的更小，从而能够对小型的电子件散热，不会导致电子件的体积过大，另一方面，在高温下硅铝合金基体的体积变化较小，膨胀的硅铝合金基体不会挤压电子件，保证了电子件的使用寿命。
73.在本技术的一个实施例中，步骤s20包括如下具体步骤：
74.步骤s21，将质量百分含量为25％～30％的硅粉及70％～75％的铝粉混合制成第一材料混合粉。优选地，硅粉的质量百分含量为27％、铝粉的质量百分含量为73％。
75.步骤s22，将质量百分含量为45％～55％的硅粉及45％～55％的铝粉混合制成第
二材料混合粉。优选地，硅粉的质量百分含量为50％、铝粉的质量百分含量为50％。
76.步骤s23，将质量百分含量为65％～75％的硅粉及25％～35％的铝粉混合制成第三材料混合粉。优选地，硅粉的质量百分含量为70％、铝粉的质量百分含量为30％。
77.步骤s30具体包括：制备铝包套，在铝包套的底部依次铺设第三材料混合粉及第二材料混合粉，形成第一设预设厚度的混合粉层。
78.步骤s50具体包括：向铝包套内依次铺设第二材料混合粉及第一材料混合粉，形成第二设预设厚度的混合粉层，第二材料混合粉覆盖装有金属液的冷却管。
79.第一材料混合粉形成硅铝合金基体的第一层，第二材料混合粉形成硅铝合金基体的第二层，第三材料混合粉形成硅铝合金基体的第三层。第一层中铝元素的含量较高，使第一层具有良好的焊接性及优秀的导热性，使冷却结构能够有效地焊接在电子件上，另外，通过铝元素与硅元素的配比保证第一层具有低的热膨胀系数。第二层中铝元素与硅元素的含量相近，通过铝元素与硅元素的配比保证第二层具有均衡的高导热性及较低热膨胀系数等特点；第三层中的硅元素的含量较高，使第三层具有很低的热膨胀系数，在高温下膨胀的第三层不会挤压电子件，保证了电子件的使用寿命，另外，通过铝元素与硅元素的配比保证第三层具有良好的导热性。上述由梯度硅铝合金制成的冷却结构，不但满足用户的可焊性的需求，而且通过结构和材料配比设计，同时解决材料焊接性能低、热膨胀系数高和热导率低等技术难题，由于第一层、第二层及第三层中铝元素与硅元素的含量呈梯度变化，相邻层之间受热后的变化较小，从而解决了第一层、第二层及第三层在使用过程中出现“鼓起”、“拉裂”等问题。
80.第一层、第二层及第三层的各参数如下表所示：
[0081][0082]
在本技术的一个实施例中，步骤s70包括如下具体步骤：
[0083]
步骤s71，向制造炉内充氩气将制造炉内的压力提升到100mpa。
[0084]
步骤s72，将制造炉内的温度提升到400℃，并保温1小时。
[0085]
步骤s73，将制造炉内的温度提升到500℃，并保温5小时。
[0086]
在本技术的一个实施例中，步骤s80包括如下具体步骤：
[0087]
步骤s81，将制造炉内的温度降到400度，并保温1小时。
[0088]
步骤s82，将制造炉内的温度降到350度，并保温2小时。
[0089]
步骤s83，将制造炉内的温度降到200度，并保温3小时，回收氩气。
[0090]
步骤s84，将制造炉内的温度降到150度，并保温1小时。
[0091]
步骤s85，将制造炉内的温度降到100度，并保温3小时。
[0092]
步骤s86，将预成件取出，并冷却到室温。
[0093]
混合粉经过第一预设温度长时间烧结后形成致密化的硅铝合金基体，在将硅铝合金基体的冷却过程中，硅铝合金基体的体积会发生变化，通过逐渐的温度变化，使硅铝合金基体的体积逐渐变化，避免了因温度变化过快而硅铝合金基体的变形过快，导致硅铝合金基体性能不稳定的情况发生，即保证了制成的冷却结构性能的稳定性。
[0094]
如图1至图3所示，本技术第二方面的实施例提供的硅铝合金内置冷却结构，硅铝合金基体10以及冷却管20。
[0095]
冷却管20内嵌于硅铝合金基体10内。
[0096]
硅铝合金基体10及冷却管20采用如上述任一项所述的成型方法一体铸造成型。
[0097]
本技术提供的硅铝合金内置冷却结构，通过调整硅粉与铝粉的混合比例可制成具有低热膨胀系数和高热导率的硅铝合金材料，从而使硅铝合金材料相比于其他的导热材料在相同体积的情况下具有更好的散热效率硅铝合金基体10，且在高温下硅铝合金材料的体积变化较小，因此，采用上述硅铝合金材料制成的硅铝合金基体10，一方面，在满足散热要求的情况下，冷却结构能够做的更小，从而能够对小型的电子件散热，不会导致电子件的体积过大，另一方面，在高温下硅铝合金基体10的体积变化较小，膨胀的硅铝合金基体10不会挤压电子件，保证了电子件的使用寿命。另外，采用一体成型工艺制成内置有冷却管20的冷却结构，硅铝合金基体10与冷却管20之间的结合更加紧密，即硅铝合金基体10与冷却管20之间无间隙，从而硅铝合金基体10吸收的热力能够快速地进入冷却管20内，并从冷却管20中排出，保证了冷却结构能够快速地吸收热量对目标进行降温。硅铝合金基体10吸收的热量，从而硅铝合金基体10的外部逐渐向内部流动，冷却管20的设置能够使硅铝合金基体10的内部与外部环境连通，即增加了硅铝合金基体10的散热面积，从而使硅铝合金基体10内部的热量通过冷却管20的空腔散发到空气中，进而使硅铝合金基体10的温度快速降低，保证了冷却结构能够快速地吸收热量对目标进行降温。
[0098]
如图2所示，在本技术的一个实施例中，硅铝合金基体10由一种单体材质的硅铝合金制成，硅铝合金基体10包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0099]
铝40％～60％。
[0100]
硅40％～60％。
[0101]
优选地，硅铝合金基体10包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0102]
铝50％。
[0103]
硅50％。
[0104]
采用上述比例的硅粉与铝粉混合可制成具有焊接性良好、低热膨胀系数和高热导率的硅铝合金基体10，一方面，在满足散热要求的情况下，冷却结构能够做的更小，从而能够对小型的电子件散热，不会导致电子件的体积过大，另一方面，在高温下硅铝合金基体10的体积变化较小，膨胀的硅铝合金基体10不会挤压电子件，保证了电子件的使用寿命。
[0105]
在本技术的具体一个实施例中，硅铝合金基体10上和电子件之间的接触面与冷却管20之间的距离d大于0.5cm。
[0106]
如图3所示，在本技术的一个实施例中，硅铝合金基体10包括依次设置的第一层
11、第二层12及第三层13。
[0107]
第一层11包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0108]
铝70％～75％。
[0109]
硅25％～30％。
[0110]
第二层12包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0111]
铝45％～55％。
[0112]
硅45％～55％。
[0113]
第三层13包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0114]
铝25％～35％。
[0115]
硅65％～75％。
[0116]
第一层11中铝元素的含量较高，使第一层11具有良好的焊接性及优秀的导热性，使冷却结构能够有效地焊接在电子件上，另外，通过铝元素与硅元素的配比保证第一层11具有较低的热膨胀系数。第二层12中铝元素与硅元素的含量相近，通过铝元素与硅元素的配比保证第二层12具有均衡的高导热性及低热膨胀系数等特点；第三层13中的硅元素的含量较高，使第三层13具有很低的热膨胀系数，在高温下膨胀的第三层13不会挤压电子件，保证了电子件的使用寿命，另外，通过铝元素与硅元素的配比保证第三层13具有良好的导热性。上述由梯度硅铝合金制成的冷却结构，不但满足用户的可焊性的需求，而且通过结构和材料配比设计，同时解决材料焊接性能低、热膨胀系数高和热导率低等技术难题，由于第一层11、第二层12及第三层13中铝元素与硅元素的含量呈梯度变化，相邻层之间受热后的变化较小，从而解决了第一层11、第二层12及第三层13在使用过程中出现“鼓起”、“拉裂”等问题。
[0117]
在本技术的一个优选实施例中，第一层包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0118]
铝73％。
[0119]
硅27％。
[0120]
第二层包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0121]
铝50％。
[0122]
硅50％。
[0123]
第三层包括的组分及各组分的质量百分含量如下：
[0124]
铝30％。
[0125]
硅70％。
[0126]
如图3所示，在本技术的一个实施例中，冷却管20内嵌于第二层12内。
[0127]
由于第一层11的热膨胀系数大于第二层12及第三层13，满足焊接要求的情况下，第一层11越薄越好；由于第二层12的热膨胀系数和热导率比较均衡，冷却管20设置在第二层12内，保证热量在此处可以有效地从冷却管20中散去，从而保证了冷却结构的冷却效果。第二层12的厚度大于第一层11的厚度。
[0128]
如图1至图3所示，在本技术的一个实施例中，在过所述冷却管轴线的横截面上，冷却管20的横截面积不超过硅铝合金基体10的横截面面积的40％。横截面为硅铝合金基体最大面积的横截面，保证了冷却结构具有良好的可靠性。
[0129]
在本技术的一个实施例中，金属液为锡液，冷却管20为铜管。锡的熔点相对较低(一般为275℃)，将锡的热到熔点时，不会对基低材料产生影响。且无毒害性，处置过程中不会在铜管内存留。在制造冷却结构的过程中，铜管内的锡金属在铜管内因高温情况下成为液体有膨胀性能，起到对铜管启动支撑作用，防止铜管因压力增加而变形。
[0130]
如图1所示，在本技术的一个实施例中，冷却管20的形状为s形或蛇形，增加了冷却管20与硅铝合金基体10的接触面积，从而使硅铝合金基体10吸收的热力能够快速地进入冷却管20内，并从冷却管20中排出，保证了冷却结构能够快速地吸收热量对目标进行降温。
[0131]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。在本技术中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0132]
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0133]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。