CN103521738B - 碳化硅igbt基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置，它包括上冲头、下冲头和型腔；所述型腔包括型腔本体和通腔；型腔本体上半部设有与通腔连通的铝合金液注入口，型腔本体下半部分设有与通腔连通的真空泵接口；所述上冲头由上至下伸入通腔，上冲头伸入通腔的部分环设有密封圈；所述下冲头由下至上伸入通腔，下冲头伸入通腔的部分也环设有密封圈；所述下冲头顶面设有用于装载碳化硅IGBT基板骨架的石墨框架；当上冲头封闭铝合金液注入口、下冲头封闭真空泵接口时，上冲头和下冲头之间的距离为30mm～40mm。采用该装置能实现碳化硅IGBT基板骨架快捷渗铝及双面均匀覆铝。

Description

碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置及方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置及方法。

背景技术

铝碳化硅IGBT基板具有热导率高，热膨胀系数低等特点，广泛应用于大功率集成电路、相控阵雷达天线、高速列车变流控制器的散热。目前高速列车变流器中的铝碳化硅IGBT基板主要依靠进口。

铝碳化硅IGBT基板上需要双面覆上铝合金。采用真空压力浸渍炉渗铝，由于炉体的尺寸有限，限制了生产的数量；又由于升温和降温时间长，其渗铝工装复杂，渗铝时还需要约3个标准瓶的氮气，因此，生产效率低，成本较高。中国专利200780014043.3公开了“铝-碳化硅复合体和使用该复合体的散热零件”，该专利是将碳化硅骨架的两面先垫上氧化铝或二氧化硅为主要成分的纤维布，在该纤维布的外面再夹脱模钢板，交叉层叠，在最外层用两块厚钢板夹住并用螺杆拧紧。该专利的关键在于氧化铝或二氧化硅为主要成分的纤维布夹在碳化硅IGBT基板骨架上，通过调整纤维布的层数，达到调整铝碳化硅IGBT基板上的铝合金厚度的目的。本发明人对该专利进行了验证，采用氧化铝纤维夹在碳化硅IGBT基板骨架上，再用刷了脱模剂的不锈钢板夹住，用螺杆拧紧，在真空压力浸渍炉内渗铝，能实现铝碳化硅IGBT基板双面覆铝合金，但是，在该铝合金层上有大量的微细孔，化学镀镍磷合金后，仍可见微细孔，达不到应用要求。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种工艺简单，成本低，适用范围广的碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力渗铝装置，尤其是铝碳化硅IGBT基板双面覆铝合金的渗铝装置。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置包括上冲头、下冲头和型腔；所述型腔包括型腔本体和通腔；型腔本体上半部设有与通腔连通的铝合金液注入口，型腔本体下半部分设有与通腔连通的真空泵接口；所述上冲头由上至下伸入通腔，上冲头伸入通腔的部分环设有密封圈；所述下冲头由下至上伸入通腔，下冲头伸入通腔的部分也环设有密封圈；所述下冲头顶面设有用于装载碳化硅IGBT基板骨架的石墨框架；当上冲头封闭铝合金液注入口、下冲头封闭真空泵接口时，上冲头和下冲头之间的距离为30mm～40mm，上冲头与下冲头封闭的通腔内填充铝合金液。

优选地，所述下冲头顶部与上冲头底部均环设有冷却水槽；下冲头和上冲头上均设有冷却水进口；

所述上冲头上环设有两个密封圈，两密封圈之间的距离为7+0.5mm，优选为7mm，上冲头上的冷却水槽位于上冲头密封圈以下的位置，接近铝合金液。

所述下冲头上环设有两个密封圈，两密封圈之间的距离为7+0.5mm，优选为7mm，下冲头上的冷却水槽位于下冲头密封圈以下的位置，接近铝合金液。

所述通腔的轮廓（长X宽）比碳化硅IGBT基板骨架（5）的轮廓（长X宽）大3～5mm。

所述石墨方框高为5+0.5mm，优选为5mm。

所述密封圈的材质为牛皮。

基于上述装置的碳化硅IGBT基板骨架渗铝方法，如下步骤：

（1）将碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置安装于液压机工作台：将上冲头与液压机的上缸连接，将型腔固定在模架上，再将模架固定在液压机的工作台上，将下冲头与液压机下缸连接；

（2）抽出上冲头，上移下冲头，使石墨框架上表面与型腔本体上表面齐平，将加热至750℃～850℃的碳化硅IGBT基板骨架平推至石墨框架上，再下移下冲头至真空泵接口以下的位置；

（3）将上冲头有上至下伸入通腔，下移上冲头至铝合金液注入口以下的位置，封闭铝合金液注入口，抽真空；

（4）当真空度达到100Pa时，上移下冲头至真空泵接口以上的位置，封闭真空泵接口，再上移上冲头至铝合金液注入口以上的位置，使铝合金金液进口与通腔连通，然后向通腔注入750℃～850℃的铝合金液；

（5）下移上冲头，对通腔内的铝合金液加压，当压力为70MPa～90MPa时，保压55～65s，优选为65s；

（6）抽出上冲头，再上移下冲头，将上下两面已均匀覆有铝合金的碳化硅IGBT基板骨架顶出通腔并推至冷却板冷却。

之后再采用公知机械加工技术实现铝碳化硅IGBT基板外轮廓加工、打孔和攻丝，在铝碳化硅IGBT基板的铝合金层上加工凸球面。

下面结合附图及设计原理对本发明作进一步说明：

将碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置安装在液压机的工作台上，即将上冲头7与液压机的上缸连接，将型腔2固定在模架上，再将模架固定在液压机的工作台上，下冲头1与液压机的下缸连接；上冲头7由上至下进入通腔10，下冲头1由下至上进入通腔，上、下冲头与通腔10之间是动配合。连接好真空泵接口3、铝合金液注入口8、上冲头7和下冲头1的冷却水进口12；上升下冲头1，使石墨框架4的上表面与型腔本体9的上表面平齐，将加热至750℃～850℃的碳化硅IGBT基板骨架5平推至石墨框架4上，再将下冲头1下移至抽真空接口3以下；下移上冲头7至铝合金液注入口8以下时，开始抽真空；当真空度达到100Pa时，上移下冲头封闭抽真空接口，再上移上冲头7至铝合金液注入口8以上，向通腔10中注入750℃～850℃的铝合金液13；下移上冲头7对铝合金液施加压力，其压力为70MPa～90MPa，保压60s；此时，在液压机压力的作用下，从上至下将铝合金液13压渗进碳化硅IGBT基板骨架；其反面的铝合金液是通过碳化硅IGBT基板的待镶嵌铝合金的缺口14、碳化硅IGBT基板骨架与型腔的间隙和碳化硅IGBT基板骨架在铝合金液13中受到浮力作用上移而流入的，在液压机压力作用下铝合金液13从下往上进入碳化硅IGBT基板骨架，由此达到碳化硅IGBT基板骨架双面均匀覆上铝合金。然后上移上冲头7，再上移下冲头1将铝碳化硅IGBT基板坯件顶出，平推至冷却板上，继续冷却。再进行下一件碳化硅IGBT基板骨架渗铝操作。

本发明实际上是设计了一种型腔及与其相配合的上冲头和下冲头，该装置的型腔有抽真空接口和注入铝合金液注入口。将该装置安装在液压机上，上冲头与液压机的上缸联接，下冲头与液压机的下缸联接，型腔固定在模架上，再将模架固定在液压机的工作台上。将加热的碳化硅IGBT基板骨架平推入型腔后，抽真空至所需真空度后，封闭抽真空口，向型腔注入铝合金液，上冲头下移对铝合金液加压力，可实现碳化硅IGBT基板骨架快捷渗铝及双面均匀覆铝。

本发明工艺简单，快捷渗铝工装可重复使用，可实现铝碳化硅IGBT基板的工业化生产。在铝碳化硅IGBT基板上可得到的铝合金层厚度为1.5mm～2.5mm，铝碳化硅IGBT基板的变形量小于0.10mm,在铝合金层上采用机械加工的方法容易实现焊接平面具有铝合金，在另一面容易加工成球面。在铝碳化硅IGBT基板双面覆的铝合金具有平整、均匀、致密等特点，通过光学显微镜观察，无细微孔和裂纹等现象；在铝碳化硅IGBT基板中取样检测：20℃～25℃时，热导率为195W/m·K；25℃→150℃时，热膨胀系数为7.3×10^-6/K；20℃～25℃时，抗弯强度390～410MPa。在铝碳化硅IGBT基板的铝合金层上加工的球面等高线测量数据如图6、7所示。

本发明解决了碳化硅IGBT基板骨架渗铝及双面均匀覆铝合金的技术难题，比真空压力浸渍炉渗铝的时间短，且在渗铝过程中铝碳化硅IGBT基板坯件不易变形，成本低，产量高，适合于批量生产。

附图说明

图1本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置中上冲头的结构示意图；

图3为本发明装置中下冲头的结构示意图；

图4为本发明装置中石墨框架的结构示意图；

图5为本发明装置中碳化硅IGBT基板骨架的结构示意图；

图6是本发明中铝碳化硅IGBT基板骨架加工时焊接前的球面等高线测量数据图（中心点：Z值0.3759mm，偏心X值51.83%，偏心Y值51.72%）；

图7是本发明中铝碳化硅IGBT基板骨架加工时焊接后的球面等高线测量数据图（中心点：Z值0.2789mm，偏心X值49.89%，偏心Y值51.51%）。

图中，1、下冲头；2、型腔；3、真空泵接口；4、石墨框架；5、碳化硅IGBT基板骨架；6、冷却水槽；7、上冲头；8、铝合金液注入口；9、型腔本体；10、通腔；11、密封圈；12、冷却水进口；13、铝合金液；14、碳化硅IGBT基板的待镶嵌铝合金的缺口。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图5，所述碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置包括上冲头7、下冲头1和型腔2；所述型腔2包括型腔本体9和通腔10；型腔本体9上半部设有与通腔10连通的铝合金液注入口8，型腔本体9下半部分设有与通腔10连通的真空泵接口3；所述上冲头7由上至下伸入通腔10，上冲头7伸入通腔10的部分环设有两个密封圈11，这两个密封圈11之间的距离为7mm；所述下冲头1由下至上伸入通腔10，下冲头1伸入通腔10的部分也环设有两个密封圈11，这两个密封圈11之间的距离为7mm；所述下冲头1顶面设有用于装载碳化硅IGBT基板骨架5的石墨框架4；当上冲头7封闭铝合金液注入口8、下冲头1封闭真空泵接口3时，上冲头7和下冲头1之间的距离为40mm。

所述下冲头1顶部与上冲头7底部均环设有冷却水槽6，上冲头7上的冷却水槽6位于上冲头7密封圈11以下的位置，下冲头1上的冷却水槽6位于下冲头1密封圈11以下的位置；下冲头1和上冲头7上均设有冷却水进口12。

所述通腔10的轮廓比碳化硅IGBT基板骨架5的轮廓大3mm。

所述石墨方框4高为5mm。

下冲头1的尺寸为137mm×147mm×150mm；通腔10的尺寸为137mm×147mm×200mm；碳化硅IGBT基板骨架5的尺寸为134mm×144mm×4.8mm；石墨框架外轮廓的尺寸为134mm×144mm×5mm，内轮廓的尺寸为129mm×139mm×4mm；铝合金液6在高温下含Si13%的铸铝；上冲头7的尺寸为137mm×147mm×220mm。

实施例2

基于实施例1所述装置的碳化硅IGBT基板骨架渗铝方法，包括如下步骤：

（1）将碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置安装于液压机工作台：将上冲头与液压机的上缸连接，将型腔固定在模架上，再将模架固定在液压机的工作台上，将下冲头与液压机下缸连接；

（2）抽出上冲头，上移下冲头，使石墨框架上表面与型腔本体上表面齐平，将加热至750℃的碳化硅IGBT基板骨架平推至石墨框架上，再下移下冲头至真空泵接口以下的位置；

（3）将上冲头有上至下伸入通腔，下移上冲头至铝合金液注入口以下的位置，封闭铝合金液注入口，抽真空；

（4）当真空度达到100Pa时，上移下冲头至真空泵接口以上的位置，封闭真空泵接口，再上移上冲头至铝合金液注入口以上的位置，使铝合金金液接口与通腔连通，然后向通腔注入850℃的铝合金液；

（5）下移上冲头，对通腔内的铝合金液加压，当压力为70MPaMPa时，保压60s；

（6）抽出上冲头，再上移下冲头，将上下两面已均匀覆有铝合金的碳化硅IGBT基板骨架顶出通腔并推至冷却板冷却；

（7）采用公知机械加工技术实现铝碳化硅IGBT基板外轮廓加工、打孔和攻丝，在铝碳化硅IGBT基板的铝合金层上加工凸球面。

所得四单元铝碳化硅IGBT基板外形尺寸为127mm×137mm×5mm，双面覆铝合金，焊接平面铝合金厚度0.03mm，另一面为球面，铝合金厚度最低为0.03mm，最高点为0.390mm。

本发明工艺简单，快捷渗铝工装可重复使用，可实现铝碳化硅IGBT基板的工业化生产。在铝碳化硅IGBT基板上可得到的铝合金层厚度为1.5mm，铝碳化硅IGBT基板的变形量小于0.10mm,在铝合金层上采用机械加工的方法容易实现焊接平面具有铝合金，在另一面容易加工成球面。在铝碳化硅IGBT基板双面覆的铝合金具有平整、均匀、致密等特点，通过光学显微镜观察，无细微孔和裂纹等现象；在铝碳化硅IGBT基板中取样检测：20℃～25℃时，热导率为195W/m·K；25℃→150℃时，热膨胀系数为7.3×10^-6/K；20℃～25℃时，抗弯强度410MPa。

实施例3

参见图1至图5，所述碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置包括上冲头7、下冲头1和型腔2；所述型腔2包括型腔本体9和通腔10；型腔本体9上半部设有与通腔10连通的铝合金液注入口8，型腔本体9下半部分设有与通腔10连通的真空泵接口3；所述上冲头7由上至下伸入通腔10，上冲头7伸入通腔10的部分环设有两个密封圈11，这两个密封圈11之间的距离为7mm；所述下冲头1由下至上伸入通腔10，下冲头1伸入通腔10的部分也环设有两个密封圈11，这两个密封圈11之间的距离为7mm；所述下冲头1顶面设有用于装载碳化硅IGBT基板骨架5的石墨框架4；当上冲头7封闭铝合金液注入口8、下冲头1封闭真空泵接口3时，上冲头7和下冲头1之间的距离为40mm。

所述下冲头1顶部与上冲头7底部均环设有冷却水槽6，上冲头7上的冷却水槽6位于上冲头7密封圈11以下的位置，下冲头1上的冷却水槽6位于下冲头1密封圈11以下的位置；下冲头1和上冲头7上均设有冷却水进口12。

所述通腔10的轮廓比碳化硅IGBT基板骨架5的轮廓大3mm。

所述石墨方框4高为5mm。

下冲头1的尺寸为195mm×155mm×150mm；通腔10的尺寸为195mm×155mm×200mm；碳化硅IGBT基板骨架5的尺寸为192mm×152mm×4.8mm；石墨框架外轮廓的尺寸为195mm×155mm×5mm，内轮廓的尺寸为190mm×140mm×5mm；铝合金液6在高温下含Si13%的铸铝；上冲头7的尺寸为195mm×155mm×220mm。

实施例2

基于实施例1所述装置的碳化硅IGBT基板骨架渗铝方法，包括如下步骤：

（1）将碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置安装于液压机工作台：将上冲头与液压机的上缸连接，将型腔固定在模架上，再将模架固定在液压机的工作台上，将下冲头与液压机下缸连接；

（2）抽出上冲头，上移下冲头，使石墨框架上表面与型腔本体上表面齐平，将加热至850℃的碳化硅IGBT基板骨架平推至石墨框架上，再下移下冲头至真空泵接口以下的位置；

（3）将上冲头有上至下伸入通腔，下移上冲头至铝合金液注入口以下的位置，封闭铝合金液注入口，抽真空；

（4）当真空度达到100Pa时，上移下冲头至真空泵接口以上的位置，封闭真空泵接口，再上移上冲头至铝合金液注入口以上的位置，使铝合金金液接口与通腔连通，然后向通腔注入750℃的铝合金液；

（5）下移上冲头，对通腔内的铝合金液加压，当压力为90MPaMPa时，保压60s；

（6）抽出上冲头，再上移下冲头，将上下两面已均匀覆有铝合金的碳化硅IGBT基板骨架顶出通腔并推至冷却板冷却；

（7）采用公知机械加工技术实现铝碳化硅IGBT基板外轮廓加工、打孔和攻丝，在铝碳化硅IGBT基板的铝合金层上加工凸球面。

所得六单元铝碳化硅IGBT基板外形尺寸为187mm×137mm×5mm，双面覆铝合金，焊接平面铝合金厚度0.03mm，另一面为球面，铝合金厚度最低为0.03mm，最高点为0.390mm。

本发明工艺简单，快捷渗铝工装可重复使用，可实现铝碳化硅IGBT基板的工业化生产。在铝碳化硅IGBT基板上可得到的铝合金层厚度为2.5mm，铝碳化硅IGBT基板的变形量小于0.12mm,在铝合金层上采用机械加工的方法容易实现焊接平面具有铝合金，在另一面容易加工成球面。在铝碳化硅IGBT基板双面覆的铝合金具有平整、均匀、致密等特点，通过光学显微镜观察，无细微孔和裂纹等现象；在铝碳化硅IGBT基板中取样检测：20℃～25℃时，热导率为190W/m·K；25℃→150℃时，热膨胀系数为7.4×10^-6/K；20℃～25℃时，抗弯强度390MPa。

Claims (8)

1.一种碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置，其特征在于，它包括上冲头（7）、下冲头（1）和型腔（2）；所述型腔（2）包括型腔本体（9）和通腔（10）；型腔本体（9）上半部设有与通腔（10）连通的铝合金液注入口（8），型腔本体（9）下半部分设有与通腔（10）连通的真空泵接口（3）；所述上冲头（7）由上至下伸入通腔（10），上冲头（7）伸入通腔（10）的部分环设有密封圈（11）；所述下冲头（1）由下至上伸入通腔（10），下冲头（1）伸入通腔（10）的部分也环设有密封圈（11）；所述下冲头（1）顶面设有用于装载碳化硅IGBT基板骨架（5）的石墨框架（4）；当上冲头（7）封闭铝合金液注入口（8）、下冲头（1）封闭真空泵接口（3）时，上冲头（7）和下冲头（1）之间的距离为30mm～40mm。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下冲头（1）顶部与上冲头（7）底部均环设有冷却水槽（6）；下冲头（1）和上冲头（7）上均设有冷却水进口（12）。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述上冲头（7）上环设有两个密封圈（11），两密封圈之间的距离为7+0.5mm，上冲头（7）上的冷却水槽（6）位于上冲头（7）密封圈（11）以下的位置。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述下冲头（1）上环设有两个密封圈（11），两密封圈之间的距离为7+0.5mm，下冲头（1）上的冷却水槽（6）位于下冲头（1）密封圈（11）以下的位置。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通腔（10）的轮廓比碳化硅IGBT基板骨架（5）的轮廓大3～5mm。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述石墨框架（4）高为5+0.5mm。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述装置的碳化硅IGBT基板骨架渗铝方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将碳化硅IGBT基板骨架真空液压压力快捷渗铝装置安装于液压机工作台：将上冲头与液压机的上缸连接，将型腔固定在模架上，再将模架固定在液压机的工作台上，将下冲头与液压机下缸连接；

（2）抽出上冲头，上移下冲头，使石墨框架上表面与型腔本体上表面齐平，将加热至750℃～850℃的碳化硅IGBT基板骨架平推至石墨框架上，再下移下冲头至真空泵接口以下的位置；

（3）将上冲头有上至下伸入通腔，下移上冲头至铝合金液注入口以下的位置，封闭铝合金液注入口，抽真空；

（4）当真空度达到100Pa时，上移下冲头至真空泵接口以上的位置，封闭真空泵接口，再上移上冲头至铝合金液注入口以上的位置，使铝合金金液接口与通腔连通，然后向通腔注入750℃～850℃的铝合金液；

（5）下移上冲头，对通腔内的铝合金液加压，当压力为70MPa～90MPa时，保压55～65s；

（6）抽出上冲头，再上移下冲头，将上下两面已均匀覆有铝合金的碳化硅IGBT基板骨架顶出通腔并推至冷却板冷却。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤（5）是当压力为70MPa～90MPa时，保压60s。