一种双层钛铝/铝硅复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双层钛铝/铝硅复合材料及其制备方法和应用；属于电子封装材 料制备技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着微电子集成电路技术的飞速发展，电子器件的集成度和功率不断提 升，导致对为这些电子器件提供机械支撑、热传导和环境保护的热管理封装材料的性能要 求也越来越高。热管理封装材料的性能直接影响到集成电路和电子器件的电、热、密封、机 械等各方面的性能。所以在设计封装材料不仅需要考虑其热性能要求，还需要考虑所用材 料具备优良的物理、化学、力学的综合性能。因为电子器件的集成度和功率不断提升，所以 对热管理封装材料的性能也就提出了更多和更高的要求；这也导致单一材质的热管理封装 材料很难满足使用要求，，因此需要采用复合材料来达到复杂封装热管理的应用要求。
[0003] 一般来说，电子封装领域使用的热管理材料要求有良好的导热性能的同时，需要 具备与芯片相匹配的低热膨胀系数。根据目前电子封装领域的实际应用条件，优良的热管 理封装材料导热系数一般要求高于100W?M^r1，同时要求热膨胀系数在7XKrr1范围左 右，此外，针对热管理材料的实际加工和应用环境，还需要热管理材料具备适当的密度、良 好的气密性、精确的机械加工性、优良的焊接性能和可以表面金属化等多项综合性能。因 此，常规的一种单一材料很难同时满足热管理材料应用综合性能。目前常用的一些热管理 材料，在使用性能上虽然具备很多的优点，但也往往会存在一些性能的不足，影响其实际的 使用效果。例如，KOVAR、钨铜、钼铜等金属基电子封装材料密度过高，导热性能一般，无法满 足新一代电子封装材料应用的综合性能。典型电子封装用铝基碳化硅复合材料（Al-SiC)， 该材料有良好的热导率和适当的热膨胀系数，但是其机械加工性能差，脆性大，易碎，很难 加工成需要的电子封装用壳体形状。铝硅（Al-Si)合金的机械加工成型能力比Al-SiC材 料优越，但是其热膨胀系数的控制有一定的难度，而且由于Si相在A1基体中容易粗化造成 缺陷，因此Al-Si合金坯料的制造工艺也比较复杂。钛铝（Ti-Al)合金具有优良的综合性 能，但是其热导率只有16W无法满足热管理材料应用要求。因此，为满足热管理材料 使用的综合性能要求，可以将上述几种具有不同优良性能的封装材料进行复合，制备成复 合材料，使复合材料同时具备有低热膨胀系数、高热导率和良好的机械加工性能，同时还需 要有优良的封装可焊接性、可靠性，来满足热管理材料在实际使用过程中的不同应用要求。
[0004] 专利201210196994.X发明了一种Si-Al合金的复合封装构件，其制备方法是将质 量百分比为51~70%Si的硅铝合金，和质量百分比为30~55%Si的硅铝合金，进行复 合。其中，含量为51~70%Si(优化后为70%Si)的硅铝合金作为封装构件的底板；含量 为30~55%Si(优化后为40 %或50% )的娃铝合金作为封装构件的侧壁。两种材料复合 的方法是采用激光焊接工艺，获得复合的一种封装构件结构。这种工艺方法主要针对的是 同为硅铝系列的合金材料，只是Si和A1的成分配比不同的材料，通过焊接实现两种材料的 连接，达到两种不同成分材料分别进行使用的目的。采用焊接的方式，一般不同种类的两种 材料之间焊接会比较困难，进行焊接的两种材料种类和材料的成分配比会受到焊接条件的 限制，因此一般都是和专利201210196994.X-样，只针对不同成分的同类材料进行焊接。 此外，在焊接接头部位，受焊接的热影响，会对焊接的两层材料界面显微组织结构造成很大 的影响，往往会在两层复合材料的界面处产生焊接的缺陷，出现焊接热影响造成的孔洞、组 织粗大等缺陷。
[0005] 专利申请号为CN201410200713提出了一种铝硅/铝碳化硅电子封装装置的复合 材料及其制备方法。该复合材料是在铝碳化硅层的上表层通过喷射沉积工艺形成一层铝硅 材料，使该层铝硅材料可以作为激光焊接层，利用铝硅材料的氧含量低1000XKT6)、硅 相粒径小且彼此深度连接形成网状的特点，提高铝硅/铝碳化硅复合材料的激光焊接焊缝 的稳定性，使其能满足微电路组件外壳材料的要求。该复合材料的制备工艺关键是采用喷 射沉积技术在铝碳化硅表面获得一层铝硅合金层。
[0006] 论文"具有双层结构的电子封装用可激光焊接Sip-SiCp/Al混杂复合材料"（朱梦 剑、李顺等，中国有色金属学报2014年第4期）给出的双层结构是采用激光焊接技术进行 制备，其基体材料是采用预制件一次模压成型和真空气压浸渗技术，将熔化后的铝液在真 空条件下利用毛细管作用将其浸渗到SiP-SiCP预制的骨架中，然后再将双层结构进行激光 焊接得到复合材料，该工艺获得的复合材料中SiP-SiCP含量在60%~65%范围。
[0007] 专利CN201310001249.X"层叠结构热沉材料"，涉及一种微电子封装使用金属基平 面层状复合型电子封装材料，其构成是铜/钼铜/铜或铜/钨铜/铜三层材料复合，制备的 方法是通过熔渗的方法实现中间层钼铜或钨铜中所含铜成分与两表面铜层熔为一体，有利 于提高复合层界面结合力。论文"电子封装用CPC新型层状复合材料的研制"（郑秋波，王 志法等，中国钼业，2005年第6期）在熔渗的基础上，再进行了轧制复合，也得到"三明治" 结构的层状复合材料，芯材是Mo-Cu或W-Cu材料，双面履以纯铜。该复合技术的基础是 熔渗技术，将一种金属熔化后渗入另一种金属预先制成的骨架中，然后再进行轧制复合成 三层"三明治"结构的层状复合材料。
[0008] 以上这些焊接、熔渗、乳制复合等技术都可以获得层状的复合材料，但是都存在复 合材料的界面问题，在电子封装领域要实现性质相差较大的不同种类材料的复合，采用这 些技术都是无法实现的。
[0009] 根据资料文献汇总可知，针对电子封装领域使用的热管理材料，如果是单一的一 种材料，很难完全满足在实际应用过程中不同的热膨胀系数和热导率的要求，因此需要将 不同种类的材料复合在一起进行使用。而目前将这些不同材料连接在一起工艺一般是激光 焊接技术，焊接容易造成封装材料或者封装构件在焊缝热影响区的力学性能和密封性能变 差的隐患，如果是焊接不同种类的材料，还会带来焊缝处不同材料的物理、力学性能不匹配 的问题，在后续使用过程中常常热应力等影响，造成焊缝开裂等问题。
【发明内容】
[0010] 本发明针对现有电子封装材料存在的不足，提供一种界面结合良好的双层钛铝/ 铝硅复合材料及其制备方法和应用。
[0011] 本发明一种双层钛铝/铝硅复合材料，包括钛铝合金层、铝硅合金层以及位于钛 铝合金层与铝硅合金层之间的过渡层；
[0012] 所述钛铝合金层以质量百分比计包括：
[0013] Ti50 %~95 % ;优选为70 %~90 %，进一步优选为80 %~95 % ;
[0014] 余量为铝；
[0015] 所述铝硅合金层以质量百分比计包括：
[0016]Si10 %~70 %;优选为30 %~70 %，进一步优选为50 %~70 % ;
[0017] 余量为铝。
[0018] 本发明一种双层钛铝/铝硅复合材料，所述过渡层的厚度为10~1000 y m，优选为 400~600ym，进一步优选为500~520ym。
[0019] 本发明一种双层钛铝/铝硅复合材料的制备方法，包括下述步骤：
[0020] 步骤一
[0021] 按设计的钛铝合金层成分，配取铝粉、钛粉并混合均匀后进行第一次真空热压 烧结，得到钛铝合金坯；所述第一次热压烧结的压力为60MPa~lOOMPa，温度为750°C~ 950。。；
[0022] 步骤二
[0023] 按设计的铝硅合金层成分，配取铝粉、硅粉后混合均匀，得到铝硅混合粉，然后 将所得铝硅混合粉覆盖在步骤一所得钛铝合金坯上，并进行第二次真空热压烧结，得到 钛铝/铝硅复合材料预制件；所述第二次热压烧结的压力为lOOMPa~120MPa，温度为 640°C±10°C;
[0024] 步骤三
[0025] 在真空条件下，对步骤二所得钛铝/铝硅复合材料预制件进行真空退火处理，得 到钛铝/铝硅复合材料；所述真空退火的温度为300°C~500°C。
[0026] 本发明一种双层钛铝/铝硅复合材料的制备方法，步骤一中，所述铝粉的粒径为 5ym~20ym，其纯度彡99. 7% ;所述钛粉的粒径为20ym~70ym，其纯度彡99. 7%。
[0027] 本发明一种双层钛铝/铝硅复合材料的制备方法，步骤一中，按设计的钛铝合金 层成分，配取铝粉、钛粉后混合均匀，得到钛铝混合粉末，将所得钛铝混合粉末先在常温下 进行预压，预压的同时抽真空，排出气体；然后在真空度大于等于〇.667Pa以及保压条件 下，升温至400°C±25 °C，保温保压30~40分钟后继续保压升温至750 °C~950 °C，并在 750°C~950°C进行4~8小时的第一次真空热压烧结；所述预压的压力为60MPa~lOOMPa; 所述第一次真空热压烧结的压力为80MPa±lOMPa，真空度大于等于0. 667Pa。
[0028] 本发明一种双层钛铝/铝