[发明专利]一种TiB2/Si-Al电子封装复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子封装材料制备技术领域，特别是提供了一种TiB₂/Si-Al复合材料的制备方法，在不影响Si-Al合金的热膨胀系数、热导率和密度的前提下，可有效地细化初晶硅尺寸并解决初晶硅在Si-Al合金两相区加热保温时粗化的问题。该复合材料广泛适用于电讯、航空、航天、国防和其它相关工业电子元器件所需的新型封装或散热材料。

背景技术

Si-Al合金已被证明是一个综合性能基本满足先进电子封装要求的材料体系。因为：（1）材料的热膨胀系数与Si或GaAs等芯片相匹配，尺寸热稳定性好，可以有效地减少热应力的产生，不致使封装壳体开裂，损坏芯片；（2）导热性能好，能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去。即便对（60~70）wt%Si的Si-Al合金，其电阻率仍可保持在10^-6Ωm量级，即该成分范围内合金基体仍保持连续；（3）材料有足够的强度和刚度，其弹性模量超过110GPa，对芯片可起到有效的支撑和保护作用；（4）材料来源丰富，成本低，可以满足大规模商业化应用的要求；（5）材料的密度低，（60~70）wt%Si-Al合金比纯铝还轻15%，这对用于航空航天设备和移动计算/通信设备的封装场合尤为有利。

尽管Si-Al合金作为先进电子封装材料具有上述显著的优点，但国内外研究普遍发现，制备的喷射成形Si-Al合金中Si颗粒尺寸大小不一，其中大的Si颗粒极易导致材料局部的热膨胀系数（CTE）和热传导率发生大幅度的变化（取决于与芯片相接触的部位是Al或是Si）。而且，Si颗粒易于沿择优晶体学平面发生单方向开裂，致使材料极难加工到表面涂装所需的高精度质量。这严重影响到喷射成形电子封装Si-Al系列合金的工程使用价值。另一方面，以喷射沉积工艺作为制备半固态锭坯的手段，确实有利于得到一般熔铸条件下无法获得的等轴晶组织，适合后续的半固态加工。但由于喷射成形技术自身的特点，Si-Al系列合金沉积坯中可能会出现少量的疏松，需要经过后续半固态加工使其密实化。但研究中发现，将喷射沉积（60~70）wt%Si-Al合金进行两相区加热保温时常常观察到初晶硅明显粗化的现象。很显然，初晶硅粗化的结果丧失了喷射沉积Si-Al合金较细小组织的性能优势。因此，有效地细化初晶硅尺寸并解决其在两相区加热保温时粗化的问题就成为推动喷射沉积半固态Si-Al合金实际应用的关键问题所在。

近期，本申请人开发出了一种熔铸-原位合成和喷射成形颗粒增强金属基复合材料制备技术。利用该技术制备的TiC/7075复合材料由细小的等轴晶组织组成。在高温两相区保温过程中，TiC/7075样品中的晶粒粗化速度十分缓慢（在630℃保温30分钟后仅从35μm长大到约42μm），与同样成分7075合金单纯经过喷射沉积的样品对比，后者已经发生急剧的晶粒长大（在600℃保温30分钟后长大到约150μm）。众所周知，TiC是铝合金中常用的晶粒细化剂。但将熔铸-原位合成TiC颗粒和喷射成形（60~70）wt%Si-Al合金技术相结合时却发现TiC在Si-Al合金熔体中发生了分解，生成了Ti-Al-Si复杂的三元化合物。分析认为，TiC的分解与熔体中高的Si含量有关。因为，Ti是表面活性很强的元素，在（60~70）wt%Si-Al合金熔体凝固过程中易吸附在初晶Si的生长表面。Ti在初晶硅的生长表面分布并不均匀，容易在其孪晶凹槽和表面凹陷处富集，导致该处的Ti难以向熔体中扩散。当Ti富集到一定程度、超过其饱和值时，便以Ti-Al-Si三元金属间化合物的形式析出。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种TiB₂/Si-Al复合材料的制备方法，在不影响Si-Al合金的热膨胀系数、热导率和密度的前提下，有效地细化初晶硅尺寸并解决其在Si-Al合金两相区加热保温时粗化的问题。

一种TiB₂/Si-Al电子封装复合材料，其化学组成以重量百分比计为xTiB₂/ySi-Al，其中1.0≤x≤2.0,60≤y≤70。

如上所述的TiB₂/Si-Al电子封装复合材料制备方法，其特征在于：工艺过程包括配制混合盐、熔炼（60~70）wt%Si-Al合金、熔铸-原位合成TiB₂颗粒、喷射沉积成形TiB₂/Si-Al复合材料和TiB₂/Si-Al复合材料热等静压五个阶段。具体方法如下：