CN101177049B - 一种Cu-TiNi复合材料的制备方法 - Google Patents

一种Cu-TiNi复合材料的制备方法 Download PDF

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一种Cu-TiNi复合材料的制备方法，包括下述步骤：(1)原材料准备；(2)复合结构制作；(3)热轧复合；(4)固溶处理；(5)压应力时效处理。本发明一种Cu-TiNi复合材料的制备方法，加工工艺简单、所制Cu-TiNi复合材料界面结合强度高、热膨胀系数低、导热率高、密度低，适于作为现有电子封装材料的更新换代产品，可实现工业化生产，满足现代电子工业对封装材料的要求。

Description

一种Cu-TiNi复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有低热膨胀系数高热导率的Cu-TiNi复合材料的制备方法，该复合材料可用于电子封装的热沉，属于功能材料技术领域。
背景技术
自从1958年最简单的硅单片集成电路诞生以来，集成电路技术历经小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路和混合微电路几个发展阶段。在集成电路中封装材料起着固定芯片、保护内部元件、传递电信号并向外散发元件热量的作用，是集成电路的关键部件。随着集成电路向高密度、小型化、多功能化发展，对电子封装材料的要求越来越苛刻。作为理想的电子封装材料，必须满足以下两个基本要求：一是材料的导热性能要好，能够将半导体芯片在工作时产生的热量及时地散发出去；二是材料的热膨胀系数要与Si或GaAs等芯片相匹配，以避免芯片的热应力损坏。
传统的电子封装材料已不能完全满足适应现代先进的微波电子技术对封装的要求。近年来，国内外研究较多的电子封装材料是将具有良好导热性能的Cu、Al等与低膨胀材料如W、Si、SiC等复合制备低膨胀高导热电子封装用复合材料。W-Cu具有较高的热导率和低的热膨胀系数，但密度太大(约16.6g/cm3)，不能满足目前电子设备对轻量化的要求。Si-Al虽然密度较低(≤2.5g/cm3)，但热导率仍较低(约110W/m.K)，热膨胀系数相对较高(约10×10-6/K)，不能完全满足现代电子封装的要求。因此，如能制备出一种同时具有低的热膨胀系数(与GaAs、Si芯片相近，Si的热膨胀系数为4.1×10-6/K)，高的热传导性能以及较低密度(≤8.5g/cm3)的电子封装材料，便可较好地满足现代电子工业对封装材料的要求。
TiNi合金应用于制备低膨胀Cu基复合材料，目前有一篇专利予以公开。专利(公开号)USP 6326685论述了其制备方法。是将经特殊热处理后具有负膨胀系数的TiNi棒置于Cu管中，采用直径递减的冷模锻方式，对内含TiNi合金棒的Cu管进行连续锻造，制备Cu/TiNi复合材料。由于该专利方法采用冷模锻的方式制备Cu/TiNi复合材料，复合材料中Cu与TiNi合金是通过机械啮合的方式进行结合，界面结合强度较差，使用时，由于Cu与TiNi合金热膨胀系数的巨大差异导致界面的脱粘及失效。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种加工工艺简单、所制合金界面结合强度高、热膨胀系数低、导热率高、密度低的Cu-TiNi复合材料的制备方法。
本发明----一种Cu-TiNi复合材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)原材料准备
取铜板两块，厚、薄各一块；按TiNi合金占铜30～40％(体积百分数)的量取含Ni55wt％～60wt％的TiNi合金条，要求TiNi合金条的厚度小于厚铜板厚度。
(2)复合结构制作
根据TiNi合金条横截面尺寸，在厚铜板基体上均匀切割多道小槽；铜板及TiNi合金条酸洗除氧化膜后，将TiNi合金条嵌入小槽中，然后，将薄铜板覆盖其上固定。
(3)热轧复合
将步骤(2)所得复合体在氢气保护下加热至750～850℃，保温40～50min，热轧，一次压下量65～80％，得到Cu/TiNi复合材料板材。
(4)固溶处理
将步骤(3)所得Cu/TiNi复合材料板材在真空条件下于750～840℃固溶处理2～4小时，之后冰水淬火。
(5)压应力时效处理
将步骤(4)所得Cu/TiNi复合材料板材沿板材纵向施加160～360MPa的压应力，于400～500℃强制时效10～20h，卸载后出炉、冷水淬火。
本发明由于采用在铜基体上均匀嵌装TiNi合金条的复合结构，并在随后进行热轧复合、固溶处理、压应力时效处理，使所得的Cu/TiNi合金与传统的采用良好导热性能的Cu、Al等与低膨胀材料如W、Si、SiC等复合制备的低膨胀高导热电子封装用复合材料相比，具有如下优点：1)、由于复合材料中TiNi合金在热轧复合后进行固溶处理，复合材料界面结合强度高；2)、由于复合材料中TiNi合金强制时效后具有负热膨胀系数，可以在TiNi合金含量相对较低的条件下使复合材料获得较低的热膨胀系数，从而增加Cu基体的含量以提高复合材料的导热性能(导热率≥200W/m·K)；3)、由于TiNi合金密度远低于W的密度且低于Cu的密度，因此相对于目前最常用的电子封装材料W-Cu而言，其密度大幅度降低(密度≤8.5g/cm3)。综上所述，本发明----一种Cu-TiNi复合材料的制备方法，加工工艺简单、所制Cu-TiNi复合材料界面结合强度高、热膨胀系数低、导热率高、密度低，适于作为现有电子封装材料的更新换代产品，可实现工业化生产，满足现代电子工业对封装材料的要求。
具体实施方式
实施例1：，
1、以紫铜板及含55wt％Ni的TiNi合金条为原料。紫铜板两块，其中一块厚4.2mm，其上加工出多道深2.4mm，宽2.0mm，间距2.0mm小槽；另一块厚约1.8 mm。TiNi合金2.5mm厚，线切割至端面尺寸为2.5mm×2.0mm的TiNi合金条，长度根据紫铜板尺寸而定；
2、将紫Cu板及TiNi合金条酸洗除氧化膜后嵌装铆接固定，整体置于氢气保护的电阻加热炉中，加热至750℃，保温40～50min，之后进行一次压下量65％的热轧，得到Cu/TiNi复合材料板材；
3、将步骤(2)所得的Cu/TiNi复合材料在750℃真空加热炉中加热2小时，水冷淬火后，沿板材纵向施加360 MPa压应力，于450℃强制时效10小时，卸载后水冷淬火，20℃-140℃温度区间的平均热膨胀系数为3.9×10-6/K。
实施例2：
1、以紫铜板及含57wt％Ni的TiNi合金条为原料。紫铜板两块，其中一块厚4.2mm，其上加工出多道深2.4mm，宽2.0 mm，间距2.0mm小槽；另一块厚约1.8mm。TiNi合金2.5mm厚，线切割至端面尺寸为2.5mm×2.0mm的TiNi合金条，长度根据紫铜板尺寸而定；
2、将紫Cu板及TiNi合金条酸洗除氧化膜后嵌装铆接固定，整体置于氢气保护的电阻加热炉中，加热至780℃，保温40～50min，之后进行一次压下量70％的热轧，得到Cu/TiNi复合材料板材；
3、将步骤(2)所得的Cu/TiNi复合材料在780℃真空加热炉中加热2小时，水冷淬火后，沿板材纵向施加311MPa压应力，于450℃强制时效10小时，卸载后水冷淬火，20℃-140℃温度区间的平均热膨胀系数为6.1×10-6/K。
实施例3：
1、以紫铜板及含58wt％Ni的TiNi合金条为原料。紫铜板两块，其中一块厚4.2mm，其上加工出多道深2.4mm，宽2.0mm，间距2.0mm小槽；另一块厚约1.8mm。TiNi合金2.5mm厚，线切割至端面尺寸为2.5mm×2.0mm的TiNi合金条，长度根据紫铜板尺寸而定；
2、将紫Cu板及TiNi合金条酸洗除氧化膜后嵌装铆接固定，整体置于氢气保护的电阻加热炉中，加热至820℃，保温40～50min，之后进行一次压下量75％的热轧，得到Cu/TiNi复合材料板材；
3、将步骤(2)所得的Cu/TiNi复合材料在810℃真空加热炉中加热2小时，水冷淬火后，沿板材纵向施加239MPa压应力，于500℃强制时效10小时，卸载后水冷淬火，20℃-140℃温度区间的平均热膨胀系数为6.7×10-6/K。
实施例4：
1、以紫铜板及含60wt％Ni的TiNi合金条为原料。紫铜板两块，其中一块厚4.2mm，其上加工出多道深2.4mm，宽2.0mm，间距2.0mm小槽；另一块厚约1.8mm。TiNi合金2.5mm厚，线切割至端面尺寸为2.5mm×2.0mm的TiNi合金条，长度根据紫铜板尺寸而定；
2、将紫Cu板及TiNi合金条酸洗除氧化膜后嵌装铆接固定，整体置于氢气保护的电阻加热炉中，加热至850℃，保温40～50min，之后进行一次压下量80％的热轧，得到Cu/TiNi复合材料板材；
3、将步骤(2)所得的Cu/TiNi复合材料在840℃真空加热炉中加热2小时，水冷淬火后，沿板材纵向施加160MPa压应力，于400℃强制时效20小时，卸载后水冷淬火，20℃-140℃温度区间的平均热膨胀系数为8.4×10-6/K。

Claims (1)

1.一种Cu-TiNi复合材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)原材料准备
取铜板两块，厚、薄各一块；按TiNi合金占铜30～40％(体积百分数)的量取含Ni55wt％～60wt％的TiNi合金条，要求TiNi合金条的厚度小于厚铜板厚度；
(2)复合结构制作
根据TiNi合金条横截面尺寸，在厚铜板基体上均匀切割多道小槽；铜板及TiNi合金条酸洗除氧化膜后，将TiNi合金条嵌入小槽中，然后，将薄铜板覆盖其上固定；
(3)热轧复合
将步骤(2)所得复合体在氢气保护下加热至750～850℃，保温40～50min，热轧，一次压下量65～80％，得到Cu-TiNi复合材料板材；
(4)固溶处理
将步骤(3)所得Cu-TiNi复合材料板材在真空条件下于750～840℃固溶处理2～4小时，之后冰水淬火；
(5)压应力时效处理
将步骤(4)所得Cu-TiNi复合材料板材沿板材纵向施加160～360MPa的压应力，于400～500℃强制时效10～20h，卸载后出炉、冷水淬火。
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