一種雙層鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙層鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用；屬于電子封裝材 料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著微電子集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，電子器件的集成度和功率不斷提 升，導(dǎo)致對(duì)為這些電子器件提供機(jī)械支撐、熱傳導(dǎo)和環(huán)境保護(hù)的熱管理封裝材料的性能要 求也越來(lái)越高。熱管理封裝材料的性能直接影響到集成電路和電子器件的電、熱、密封、機(jī) 械等各方面的性能。所以在設(shè)計(jì)封裝材料不僅需要考慮其熱性能要求，還需要考慮所用材 料具備優(yōu)良的物理、化學(xué)、力學(xué)的綜合性能。因?yàn)殡娮悠骷募啥群凸β什粩嗵嵘?，所?對(duì)熱管理封裝材料的性能也就提出了更多和更高的要求；這也導(dǎo)致單一材質(zhì)的熱管理封裝 材料很難滿(mǎn)足使用要求，，因此需要采用復(fù)合材料來(lái)達(dá)到復(fù)雜封裝熱管理的應(yīng)用要求。
[0003] 一般來(lái)說(shuō)，電子封裝領(lǐng)域使用的熱管理材料要求有良好的導(dǎo)熱性能的同時(shí)，需要 具備與芯片相匹配的低熱膨脹系數(shù)。根據(jù)目前電子封裝領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用條件，優(yōu)良的熱管 理封裝材料導(dǎo)熱系數(shù)一般要求高于100W?M^r1，同時(shí)要求熱膨脹系數(shù)在7XKrr1范圍左 右，此外，針對(duì)熱管理材料的實(shí)際加工和應(yīng)用環(huán)境，還需要熱管理材料具備適當(dāng)?shù)拿芏?、?好的氣密性、精確的機(jī)械加工性、優(yōu)良的焊接性能和可以表面金屬化等多項(xiàng)綜合性能。因 此，常規(guī)的一種單一材料很難同時(shí)滿(mǎn)足熱管理材料應(yīng)用綜合性能。目前常用的一些熱管理 材料，在使用性能上雖然具備很多的優(yōu)點(diǎn)，但也往往會(huì)存在一些性能的不足，影響其實(shí)際的 使用效果。例如，KOVAR、鎢銅、鉬銅等金屬基電子封裝材料密度過(guò)高，導(dǎo)熱性能一般，無(wú)法滿(mǎn) 足新一代電子封裝材料應(yīng)用的綜合性能。典型電子封裝用鋁基碳化硅復(fù)合材料（Al-SiC)， 該材料有良好的熱導(dǎo)率和適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，但是其機(jī)械加工性能差，脆性大，易碎，很難 加工成需要的電子封裝用殼體形狀。鋁硅（Al-Si)合金的機(jī)械加工成型能力比Al-SiC材 料優(yōu)越，但是其熱膨脹系數(shù)的控制有一定的難度，而且由于Si相在A1基體中容易粗化造成 缺陷，因此Al-Si合金坯料的制造工藝也比較復(fù)雜。鈦鋁（Ti-Al)合金具有優(yōu)良的綜合性 能，但是其熱導(dǎo)率只有16W無(wú)法滿(mǎn)足熱管理材料應(yīng)用要求。因此，為滿(mǎn)足熱管理材料 使用的綜合性能要求，可以將上述幾種具有不同優(yōu)良性能的封裝材料進(jìn)行復(fù)合，制備成復(fù) 合材料，使復(fù)合材料同時(shí)具備有低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率和良好的機(jī)械加工性能，同時(shí)還需 要有優(yōu)良的封裝可焊接性、可靠性，來(lái)滿(mǎn)足熱管理材料在實(shí)際使用過(guò)程中的不同應(yīng)用要求。
[0004] 專(zhuān)利201210196994.X發(fā)明了一種Si-Al合金的復(fù)合封裝構(gòu)件，其制備方法是將質(zhì) 量百分比為51~70%Si的硅鋁合金，和質(zhì)量百分比為30~55%Si的硅鋁合金，進(jìn)行復(fù) 合。其中，含量為51~70%Si(優(yōu)化后為70%Si)的硅鋁合金作為封裝構(gòu)件的底板；含量 為30~55%Si(優(yōu)化后為40 %或50% )的娃鋁合金作為封裝構(gòu)件的側(cè)壁。兩種材料復(fù)合 的方法是采用激光焊接工藝，獲得復(fù)合的一種封裝構(gòu)件結(jié)構(gòu)。這種工藝方法主要針對(duì)的是 同為硅鋁系列的合金材料，只是Si和A1的成分配比不同的材料，通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)兩種材料的 連接，達(dá)到兩種不同成分材料分別進(jìn)行使用的目的。采用焊接的方式，一般不同種類(lèi)的兩種 材料之間焊接會(huì)比較困難，進(jìn)行焊接的兩種材料種類(lèi)和材料的成分配比會(huì)受到焊接條件的 限制，因此一般都是和專(zhuān)利201210196994.X-樣，只針對(duì)不同成分的同類(lèi)材料進(jìn)行焊接。 此外，在焊接接頭部位，受焊接的熱影響，會(huì)對(duì)焊接的兩層材料界面顯微組織結(jié)構(gòu)造成很大 的影響，往往會(huì)在兩層復(fù)合材料的界面處產(chǎn)生焊接的缺陷，出現(xiàn)焊接熱影響造成的孔洞、組 織粗大等缺陷。
[0005] 專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410200713提出了一種鋁硅/鋁碳化硅電子封裝裝置的復(fù)合 材料及其制備方法。該復(fù)合材料是在鋁碳化硅層的上表層通過(guò)噴射沉積工藝形成一層鋁硅 材料，使該層鋁硅材料可以作為激光焊接層，利用鋁硅材料的氧含量低1000XKT6)、硅 相粒徑小且彼此深度連接形成網(wǎng)狀的特點(diǎn)，提高鋁硅/鋁碳化硅復(fù)合材料的激光焊接焊縫 的穩(wěn)定性，使其能滿(mǎn)足微電路組件外殼材料的要求。該復(fù)合材料的制備工藝關(guān)鍵是采用噴 射沉積技術(shù)在鋁碳化硅表面獲得一層鋁硅合金層。
[0006] 論文"具有雙層結(jié)構(gòu)的電子封裝用可激光焊接Sip-SiCp/Al混雜復(fù)合材料"（朱夢(mèng) 劍、李順等，中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)2014年第4期）給出的雙層結(jié)構(gòu)是采用激光焊接技術(shù)進(jìn)行 制備，其基體材料是采用預(yù)制件一次模壓成型和真空氣壓浸滲技術(shù)，將熔化后的鋁液在真 空條件下利用毛細(xì)管作用將其浸滲到SiP-SiCP預(yù)制的骨架中，然后再將雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光 焊接得到復(fù)合材料，該工藝獲得的復(fù)合材料中SiP-SiCP含量在60%~65%范圍。
[0007] 專(zhuān)利CN201310001249.X"層疊結(jié)構(gòu)熱沉材料"，涉及一種微電子封裝使用金屬基平 面層狀復(fù)合型電子封裝材料，其構(gòu)成是銅/鉬銅/銅或銅/鎢銅/銅三層材料復(fù)合，制備的 方法是通過(guò)熔滲的方法實(shí)現(xiàn)中間層鉬銅或鎢銅中所含銅成分與兩表面銅層熔為一體，有利 于提高復(fù)合層界面結(jié)合力。論文"電子封裝用CPC新型層狀復(fù)合材料的研制"（鄭秋波，王 志法等，中國(guó)鉬業(yè)，2005年第6期）在熔滲的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行了軋制復(fù)合，也得到"三明治" 結(jié)構(gòu)的層狀復(fù)合材料，芯材是Mo-Cu或W-Cu材料，雙面履以純銅。該復(fù)合技術(shù)的基礎(chǔ)是 熔滲技術(shù)，將一種金屬熔化后滲入另一種金屬預(yù)先制成的骨架中，然后再進(jìn)行軋制復(fù)合成 三層"三明治"結(jié)構(gòu)的層狀復(fù)合材料。
[0008] 以上這些焊接、熔滲、乳制復(fù)合等技術(shù)都可以獲得層狀的復(fù)合材料，但是都存在復(fù) 合材料的界面問(wèn)題，在電子封裝領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)性質(zhì)相差較大的不同種類(lèi)材料的復(fù)合，采用這 些技術(shù)都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
[0009] 根據(jù)資料文獻(xiàn)匯總可知，針對(duì)電子封裝領(lǐng)域使用的熱管理材料，如果是單一的一 種材料，很難完全滿(mǎn)足在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不同的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的要求，因此需要將 不同種類(lèi)的材料復(fù)合在一起進(jìn)行使用。而目前將這些不同材料連接在一起工藝一般是激光 焊接技術(shù)，焊接容易造成封裝材料或者封裝構(gòu)件在焊縫熱影響區(qū)的力學(xué)性能和密封性能變 差的隱患，如果是焊接不同種類(lèi)的材料，還會(huì)帶來(lái)焊縫處不同材料的物理、力學(xué)性能不匹配 的問(wèn)題，在后續(xù)使用過(guò)程中常常熱應(yīng)力等影響，造成焊縫開(kāi)裂等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有電子封裝材料存在的不足，提供一種界面結(jié)合良好的雙層鈦鋁/ 鋁硅復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
[0011] 本發(fā)明一種雙層鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料，包括鈦鋁合金層、鋁硅合金層以及位于鈦 鋁合金層與鋁硅合金層之間的過(guò)渡層；
[0012] 所述鈦鋁合金層以質(zhì)量百分比計(jì)包括：
[0013] Ti50 %~95 % ;優(yōu)選為70 %~90 %，進(jìn)一步優(yōu)選為80 %~95 % ;
[0014] 余量為鋁；
[0015] 所述鋁硅合金層以質(zhì)量百分比計(jì)包括：
[0016]Si10 %~70 %;優(yōu)選為30 %~70 %，進(jìn)一步優(yōu)選為50 %~70 % ;
[0017] 余量為鋁。
[0018] 本發(fā)明一種雙層鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料，所述過(guò)渡層的厚度為10~1000 y m，優(yōu)選為 400~600ym，進(jìn)一步優(yōu)選為500~520ym。
[0019] 本發(fā)明一種雙層鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟：
[0020] 步驟一
[0021] 按設(shè)計(jì)的鈦鋁合金層成分，配取鋁粉、鈦粉并混合均勻后進(jìn)行第一次真空熱壓 燒結(jié)，得到鈦鋁合金坯；所述第一次熱壓燒結(jié)的壓力為60MPa~lOOMPa，溫度為750°C~ 950。。；
[0022] 步驟二
[0023] 按設(shè)計(jì)的鋁硅合金層成分，配取鋁粉、硅粉后混合均勻，得到鋁硅混合粉，然后 將所得鋁硅混合粉覆蓋在步驟一所得鈦鋁合金坯上，并進(jìn)行第二次真空熱壓燒結(jié)，得到 鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料預(yù)制件；所述第二次熱壓燒結(jié)的壓力為lOOMPa~120MPa，溫度為 640°C±10°C;
[0024] 步驟三
[0025] 在真空條件下，對(duì)步驟二所得鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料預(yù)制件進(jìn)行真空退火處理，得 到鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料；所述真空退火的溫度為300°C~500°C。
[0026] 本發(fā)明一種雙層鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料的制備方法，步驟一中，所述鋁粉的粒徑為 5ym~20ym，其純度彡99. 7% ;所述鈦粉的粒徑為20ym~70ym，其純度彡99. 7%。
[0027] 本發(fā)明一種雙層鈦鋁/鋁硅復(fù)合材料的制備方法，步驟一中，按設(shè)計(jì)的鈦鋁合金 層成分，配取鋁粉、鈦粉后混合均勻，得到鈦鋁混合粉末，將所得鈦鋁混合粉末先在常溫下 進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓的同時(shí)抽真空，排出氣體；然后在真空度大于等于〇.667Pa以及保壓條件 下，升溫至400°C±25 °C，保溫保壓30~40分鐘后繼續(xù)保壓升溫至750 °C~950 °C，并在 750°C~950°C進(jìn)行4~8小時(shí)的第一次真空熱壓燒結(jié)；所述預(yù)壓的壓力為60MPa~lOOMPa; 所述第一次真空熱壓燒結(jié)的壓力為80MPa±lOMPa，真空度大于等于0. 667Pa。
[0028] 本發(fā)明一種雙層鈦鋁/鋁