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CN110904403A - 散热氮化铝基板及其制备方法、应用 - Google Patents

散热氮化铝基板及其制备方法、应用 Download PDF

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CN110904403A CN201911281709.2A CN201911281709A CN110904403A CN 110904403 A CN110904403 A CN 110904403A CN 201911281709 A CN201911281709 A CN 201911281709A CN 110904403 A CN110904403 A CN 110904403A
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刘世猛
郑富辉
王贵强
蒋冬晖
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Abstract

本发明涉及一种散热氮化铝基板的制备方法，包括以下步骤：(1)对铝基板的表面进行喷砂预处理；(2)对预处理后的铝基板进行激光氮化处理；(3)对激光氮化处理后的铝基板释放残余应力，以获得所述的散热氮化铝基板。采用本发明的散热氮化铝基板及其制备方法、应用，基于激光表面改性制备适于IGBT模组的AlN散热基板，该制备方法具有自动化控制程度高、散热基板AlN陶瓷层厚度参数可调、批量生产成品率高、单件加工成本相对较低等特点，所制备的AlN散热基板满足大功率IGBT模组使用要求。

Description

散热氮化铝基板及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及电动汽车电机控制器IGBT功率模组散热基板技术领域，具体是指一种散热氮化铝基板及其制备方法、应用。
背景技术
随着电动汽车产业的发展，大功率永磁同步电机配套基于IGBT功率模组的逆变器成为最主要的电动汽车电驱动系统重要组成部分。IGBT功率模组散热性能直接影响其使用性能及服役寿命，进而影响逆变器的性能和寿命。
IGBT基板具有导热、绝缘和支撑的功能，其性能、质量和成本等因素很大程度受到基板材料及其成形工艺的影响。IGBT模块散热要求高，传统金属基板、玻璃基板较难满足其散热性能要求。目前，市场上主要使用的IGBT基板有陶瓷基板(含陶瓷覆铜基板)，极少部分中小功率IGBT使用金属基板。IGBT散热要求高，传统的金属基板正逐步被新型高导热陶瓷材料取代。
陶瓷基板具有优良的导热性、气密性、可加工性、耐热冲击等性能，适用于功率电子、混合微电子与多芯片模块封装等领域。IGBT散热基板陶瓷材料主要为Al2O3和AlN，热导率分别为20W(m·K)、180W(m·K)，传统加工工艺制备的AlN基板成本远高于Al2O3基板，故AlN陶瓷基板适用于要求高、对成本相对不敏感的中大功率器件。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中的缺点，提供一种能够克服传统IGBT模组AlN散热加工工艺控制难度大、批量生产成品率较低、加工成本高等缺陷的散热氮化铝基板的制备方法，该制备方法基于激光表面改性制备适于IGBT模组的AlN散热基板，自动化控制程度高，散热基板AlN陶瓷层厚度参数可调，批量生产成品率高，单件加工成本相对较低。
为了实现上述目的，本发明提供了一种散热氮化铝基板的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)对铝基板的表面进行喷砂预处理；
(2)对预处理后的铝基板进行激光氮化处理；
(3)对激光氮化处理后的铝基板释放残余应力，以获得所述的散热氮化铝基板。
较佳地，在所述的步骤(1)中，所述的铝基板为2A11铝基板。
较佳地，在所述的步骤(1)中，所述的喷砂预处理的喷砂材料为氧化铝颗粒，所述的氧化铝颗粒的粒径为0.02～0.05mm，所述的喷砂预处理的喷砂时间不超过10s。
较佳地，在所述的步骤(1)中，喷砂预处理结束后的铝基板放置于氮气环境箱中，备用；
在所述的步骤(1)中，喷砂预处理前，所述的铝基板经乙醇清洗。
较佳地，在所述的步骤(2)中，所述的激光氮化处理具体为：通过激光器在铝基板的表面形成激光束斑作用区，同时，向所述的激光束斑作用区通入氮气束流。
较佳地，所述的激光氮化处理的激光辐射源为二氧化碳，光束面积为8～40mm2，氮化深度为0.05～0.5mm。
较佳地，在所述的步骤(3)中，所述的释放残余应力具体为：将铝基板在氮气气氛下进行热处理。
较佳地，所述的热处理的温度为60～100℃，时间为1.5～2.5h。
本发明提供了一种散热氮化铝基板，通过所述的制备方法制成。
本发明提供了一种所述的散热氮化铝基板在IGBT功率模组的应用。
采用本发明的散热氮化铝基板及其制备方法、应用，基于激光表面改性制备适于IGBT模组的AlN散热基板，该制备方法具有自动化控制程度高、散热基板AlN陶瓷层厚度参数可调、批量生产成品率高、单件加工成本相对较低等特点，所制备的AlN散热基板满足大功率IGBT模组使用要求。
附图说明
图1为本发明的散热氮化铝基板的制备方法的流程示意图。
图2为本发明的散热氮化铝基板的制备方法中步骤(2)设备的结构示意图。
图3为本发明的散热氮化铝基板的结构示意图。
附图标记
1-工作台；2-Al基体；3-沿x轴移动平台；4-沿y轴移动平台；5-激光源；6-激光处理器；7-N2气体；8-激光作用区域
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，下面对本发明的具体实施方法作进一步说明。
如图1所示，为本发明提供的一种散热氮化铝基板的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)对铝基板的表面进行喷砂预处理；
由于Al元素化学性质较活泼，通常以铝合金代替纯铝，本发明优选采用2A11铝基板，作为IGBT散热基板的基体材料。
铝合金与空气接触表面生成一层致密Al2O3氧化膜，该氧化膜会不利于激光渗氮过程中N离子与Al基体的化学反应，本发明采用喷砂工艺去除该氧化膜，其中喷砂工艺的主要参数如下表1所示：
表1金属Al基板喷砂预处理工艺参数
喷砂材料 喷砂粒径/mm 送气气压/MPa 喷砂距离/mm 喷砂时间
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.02～0.05 0.01～0.2 100～200 <10s
在喷砂预处理前将金属Al基板用无水乙醇清洗并晾干。
经喷砂处理后的Al基板放置在氮气环境箱中保存，待后续工序使用。
(2)对预处理后的铝基板进行激光氮化处理
在进行激光表面渗氮工序中，采用N2作为渗氮气氛，N2分子在激光短时高能量作用下，分解生成N离子，N离子与Al基体发生化学反应，对Al基板(2A11)表面进行激光表面改性，生成具有高导热率、高绝缘性能的陶瓷材料AlN。
将金属Al基板固定于工作台，通过激光器在铝基板的表面形成激光束斑作用区，激光器采用CO2激光作为辐射源，同时，向激光束斑作用区域通入N2束流，激光功率密度为(1～5)×106Wmm-2，扫描速度5～15mm/s时，激光氮化处理装置原理图如图2所示，其中，激光氮化处理的参数如下表2所示，将激光器参数设置完成后进行激光氮化处理工序。
表2激光氮化处理主要工艺参数
激光器功率/w 光束面积/mm<sup>2</sup> 扫描速度mm/s 氮化深度/mm
4000 8～40 5～50 0.05～0.5
(3)对激光氮化处理后的铝基板释放残余应力，以获得所述的散热氮化铝基板
将激光氮化处理的陶瓷AlN基板冷却至常温，放入N2气氛炉中进行热处理，去除残余应力，热处理温度范围60～100℃，时间1.5～2.5h，优选2h，所得到的氮化铝基板的结构如图3所示。
实施例1
按照上述步骤制备IGBT模组AlN散热基板，其中，CO2激光器功率设置为4kW，激光器扫描速度10mm/s，N2束流压力0.15MPa。
将制备完成的AlN基板进行绝缘性能检测和金相检测，AlN陶瓷层厚度约0.5mm，基板表面任意两点之间绝缘电阻大于20MΩ(1000V)，该散热基板可以作为IGBT模组基板使用。
采用本发明的散热氮化铝基板及其制备方法、应用，基于激光表面改性制备适于IGBT模组的AlN散热基板，该制备方法具有自动化控制程度高、散热基板AlN陶瓷层厚度参数可调、批量生产成品率高、单件加工成本相对较低等特点，所制备的AlN散热基板满足大功率IGBT模组使用要求。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)对铝基板的表面进行喷砂预处理；
(2)对预处理后的铝基板进行激光氮化处理；
(3)对激光氮化处理后的铝基板释放残余应力，以获得所述的散热氮化铝基板。
2.根据权利要求1所述的散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述的铝基板为2A11铝基板。
3.根据权利要求1所述的散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述的喷砂预处理的喷砂材料为氧化铝颗粒，所述的氧化铝颗粒的粒径为0.02～0.05mm，所述的喷砂预处理的喷砂时间不超过10s。
4.根据权利要求1所述的散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，喷砂预处理结束后的铝基板放置于氮气环境箱中，备用；
在所述的步骤(1)中，喷砂预处理前，所述的铝基板经乙醇清洗。
5.根据权利要求1所述的散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，所述的激光氮化处理具体为：通过激光器在铝基板的表面形成激光束斑作用区，同时，向所述的激光束斑作用区通入氮气束流。
6.根据权利要求1或5所述的散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述的激光氮化处理的激光辐射源为二氧化碳，光束面积为8～40mm2，氮化深度为0.05～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中，所述的释放残余应力具体为：将铝基板在氮气气氛下进行热处理。
8.根据权利要求7所述的散热氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述的热处理的温度为60～100℃，时间为1.5～2.5h。
9.一种散热氮化铝基板，其特征在于，通过权利要求1至8中任一项所述的制备方法制成。
10.一种权利要求9所述的散热氮化铝基板在IGBT功率模组的应用。
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