[發明專利]一種TiB2/Si-Al電子封裝復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 201210527903.6
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103045926A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 楊濱;盧毅;張磊;王西濤
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C29/18
• 分類號: C22C29/18;C22C1/02
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明屬于電子封裝材料制備技術領域，特別是提供了一種TiB₂/Si-Al復合材料的制備方法，在不影響Si-Al合金的熱膨脹系數、熱導率和密度的前提下，可有效地細化初晶硅尺寸并解決初晶硅在Si-Al合金兩相區加熱保溫時粗化的問題。該復合材料廣泛適用于電訊、航空、航天、國防和其它相關工業電子元器件所需的新型封裝或散熱材料。

背景技術

Si-Al合金已被證明是一個綜合性能基本滿足先進電子封裝要求的材料體系。因為：（1）材料的熱膨脹系數與Si或GaAs等芯片相匹配，尺寸熱穩定性好，可以有效地減少熱應力的產生，不致使封裝殼體開裂，損壞芯片；（2）導熱性能好，能夠將半導體芯片在工作時所產生的熱量及時地散發出去。即便對（60~70）wt%Si的Si-Al合金，其電阻率仍可保持在10^-6Ωm量級，即該成分范圍內合金基體仍保持連續；（3）材料有足夠的強度和剛度，其彈性模量超過110GPa，對芯片可起到有效的支撐和保護作用；（4）材料來源豐富，成本低，可以滿足大規模商業化應用的要求；（5）材料的密度低，（60~70）wt%Si-Al合金比純鋁還輕15%，這對用于航空航天設備和移動計算/通信設備的封裝場合尤為有利。

盡管Si-Al合金作為先進電子封裝材料具有上述顯著的優點，但國內外研究普遍發現，制備的噴射成形Si-Al合金中Si顆粒尺寸大小不一，其中大的Si顆粒極易導致材料局部的熱膨脹系數（CTE）和熱傳導率發生大幅度的變化（取決于與芯片相接觸的部位是Al或是Si）。而且，Si顆粒易于沿擇優晶體學平面發生單方向開裂，致使材料極難加工到表面涂裝所需的高精度質量。這嚴重影響到噴射成形電子封裝Si-Al系列合金的工程使用價值。另一方面，以噴射沉積工藝作為制備半固態錠坯的手段，確實有利于得到一般熔鑄條件下無法獲得的等軸晶組織，適合后續的半固態加工。但由于噴射成形技術自身的特點，Si-Al系列合金沉積坯中可能會出現少量的疏松，需要經過后續半固態加工使其密實化。但研究中發現，將噴射沉積（60~70）wt%Si-Al合金進行兩相區加熱保溫時常常觀察到初晶硅明顯粗化的現象。很顯然，初晶硅粗化的結果喪失了噴射沉積Si-Al合金較細小組織的性能優勢。因此，有效地細化初晶硅尺寸并解決其在兩相區加熱保溫時粗化的問題就成為推動噴射沉積半固態Si-Al合金實際應用的關鍵問題所在。

近期，本申請人開發出了一種熔鑄-原位合成和噴射成形顆粒增強金屬基復合材料制備技術。利用該技術制備的TiC/7075復合材料由細小的等軸晶組織組成。在高溫兩相區保溫過程中，TiC/7075樣品中的晶粒粗化速度十分緩慢（在630℃保溫30分鐘后僅從35μm長大到約42μm），與同樣成分7075合金單純經過噴射沉積的樣品對比，后者已經發生急劇的晶粒長大（在600℃保溫30分鐘后長大到約150μm）。眾所周知，TiC是鋁合金中常用的晶粒細化劑。但將熔鑄-原位合成TiC顆粒和噴射成形（60~70）wt%Si-Al合金技術相結合時卻發現TiC在Si-Al合金熔體中發生了分解，生成了Ti-Al-Si復雜的三元化合物。分析認為，TiC的分解與熔體中高的Si含量有關。因為，Ti是表面活性很強的元素，在（60~70）wt%Si-Al合金熔體凝固過程中易吸附在初晶Si的生長表面。Ti在初晶硅的生長表面分布并不均勻，容易在其孿晶凹槽和表面凹陷處富集，導致該處的Ti難以向熔體中擴散。當Ti富集到一定程度、超過其飽和值時，便以Ti-Al-Si三元金屬間化合物的形式析出。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種TiB₂/Si-Al復合材料的制備方法，在不影響Si-Al合金的熱膨脹系數、熱導率和密度的前提下，有效地細化初晶硅尺寸并解決其在Si-Al合金兩相區加熱保溫時粗化的問題。

一種TiB₂/Si-Al電子封裝復合材料，其化學組成以重量百分比計為xTiB₂/ySi-Al，其中1.0≤x≤2.0,60≤y≤70。

如上所述的TiB₂/Si-Al電子封裝復合材料制備方法，其特征在于：工藝過程包括配制混合鹽、熔煉（60~70）wt%Si-Al合金、熔鑄-原位合成TiB₂顆粒、噴射沉積成形TiB₂/Si-Al復合材料和TiB₂/Si-Al復合材料熱等靜壓五個階段。具體方法如下：