CN115627384B - 一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架及其制备方法，钛合金芯片托架由纯钛和纯铌两种元素组成，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti；钛合金芯片托架的制备方法包括如下步骤：S1：将纯钛和纯铌元素按照比例配料，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti；S2：进行真空自耗熔炼铸锭；S3：铸锭热锻成方坯；S4：方坯热轧成厚板；S5：厚板分段切割；S6：切板进行固溶处理并淬火；S7：淬火厚板经多道次冷轧成为冷轧薄板；S8：冷轧薄板经冲裁得到拼接原料；S9：切割下来的原料拼接组合，再焊接成型；S10：铣削外形，定位钻孔，对表面进行磨削抛光；S11：最后进行装配。
Description
技术领域
本发明属于芯片托架制造领域，特别涉及一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架及其制备方法。
背景技术
在超级计算机、信息工作站、城市服务器等集成化程度高的设备上，一般装配使用大尺寸高功率芯片，这种芯片有别于普通家用台式电脑、便携式笔记本以及各种小型电子产品的中控芯片，它具有尺寸大、集成度高、性能强等特点。随着全球人口的不断提高，信息传输频率与需求逐步上涨，现如今大尺寸高功率的芯片在我们的生活中已经运用在了方方面面，在国民经济中占有很大的比重，起到至关重要的作用。在实际工作应用中，这种高集成度的大尺寸芯片需要添加散热结构以及复合各种热界面材料形成装配体来保证使用时的牢固与稳定。
这种芯片装配体从上到下的结构可以分为四个部分：
其一是使用铝合金制成的散热器通过热界面材料与芯片上方铜盖粘合。散热器通过增加沟壑或褶皱样式，增大散热面积。
其二是铜盖从上部包裹住芯片整体，通过热界面材料与芯片的硅板相贴合，铜盖主要起到保护和加固芯片作用。
其三是将高功率大尺寸芯片通过回流焊的方法焊接到芯片载板上，形成装配体中最重要的“大脑”部分。
其四是装配好芯片的载板与底部主板进行封装，常用方法如：倒装芯片球栅格阵列的封装、通过硅通孔互连进行2.5D/3D封装或扇出型晶圆级或面板级封装。
这种芯片装配体各个部分都由不同材料复合而成，整个装配体在服役过程中焊点受到热循环应力作用，致使焊点本体或焊盘金属共融合金层发生疲劳裂纹扩展，导致焊点疲劳断裂失效。并且大功率芯片在使用过程中会产生大量的热，温度的变化会使芯片主板发生热偏移，进而出现主板翘曲等情况。因此抑制芯片翘曲，解决层间和焊点失效问题已经成为增强电子设备可靠性的主要方法。
单板、芯片、散热器随着温度的变化，都会产生一定的形变，其材料属性不同，热膨胀系数也不相同，温度变化时的变形量不一致，就产生一些负面影响。比如在加工的过程中，会导致其中线路发生短路或断路现象，造成封装失效。或是在冷热循环服役过程中，会造成硅片和散热器之间距离的变化，当这个距离变化到一定程度之后，导热材料无法填充这个缝隙，严重影响散热效率，会导致掉电现象或芯片烧损等严重故障。
上述的装配体结构体积和质量都很大，需要增加一个芯片的背板托架。主板与芯片的背板托架，通过螺栓结构相连接。用来固定位置让装配体可以变得更加牢固。且随着芯片装配体实际工作温度变化，芯片托架产生轴向或纵向位移量的变化，会对主板及其装配体产生应力作用。
现有芯片托架的材料大多采用铝合金，铝合金托架的热膨胀系数约为25.1×10-6/℃，受热胀冷缩的影响变化明显，远高于芯片原材料硅板的热膨胀系数3×10-6/℃，也明显高于芯片主板的热膨胀系数18×10-6/℃。这三种热膨胀系数相差很大的材料复合在一起，因为材料之间的模量差异，在温度变化过程中,三种材料的收缩率不一致，材料之间被迫拉伸变形，当拉伸力达到或超过不同种材料间的粘合力时，不同材料间的粘合处就会出现分层/剥离，会出现翘曲甚至导致芯片与基板分层。实际产品中就会有很大的风险出现产品外部平面度异常等一系列问题。尤其是对于在恶劣环境温度下工作的大型电子设备，当高功率大尺寸芯片装配体在大型服务器的工作使用中，随着工作时长的增加，热量不断累积，会超过芯片服役的温度范围，当温度长时间超过了芯片的正常工作温度范围后，芯片发生正向翘曲(笑脸型)变化，芯片不能工作，当芯片温度降低，芯片温度恢复到正常工作范围内后，芯片依然不能工作。失效原因是过高的温度使各种材料之间产生了过大的热膨胀应力，使芯片内部发生损坏，形成机械应力。功率芯片长时间处于过温环境下会导致芯片疲劳老化。有统计表明有接近55％的失效原因是由于芯片散热不好，导致结温升高，从而加快了器件疲劳失效的进程，严重缩短了器件的寿命。且当大功率芯片装配体工作时的温度达到200℃时，其内部阻值大约升高至正常室温时的两倍，这将大大的增加器件的功耗。再如南、北极地等极端低温环境下，铝合金会因为温度变化导致形状的变化，发生反向翘曲(哭脸型)现象，进而产生很大的约束力损伤芯片。且众多材料在低温环境下热膨胀是非线性的状态，也就是说不同温度点的瞬时热膨胀系数是变化的，这很不利于低温环境下实际工程中的应用。温度变化致使功率芯片失灵能够使得机器整体工作异常，导致整个地区信息发送失真或数据传输失败，更可能会造成严重安全事故和重大经济损失损伤等。
现有的铝合金芯片托架遵循“热胀冷缩”这个自然界普遍规律，即温度升高时会发生几何尺寸增大的正膨胀，其本质是温度升高促使晶格非简谐振动加剧，由于原子作用势能的不对称特征，进而导致质点平均间距变大，发生明显的热膨胀现象。因此亟待一种新材料的出现，这种工程材料它受热不膨胀或者受热发生收缩，反映出零膨胀或者负膨胀特性。将拥有负热膨胀性能的材料运用在芯片托架结构上，与芯片装配体每层正膨胀材料组合后可实现调节热膨胀行为的目的，就能约束芯片及其装配体的热翘曲现象。
现有的铁电铁磁材料、少数陶瓷、铁镍合金等材料由于一些微观层面上的物理机理而表现出反常的低膨胀或负膨胀性能。但是上述三种材料大多数是非金属的、特定化学成分的脆性化合物，很难通过塑性变形进行加工制造，因此不满足解决现有芯片托架热膨胀系数过大的问题。
国内外学者研究发现钛合金可通过成分设计形成化学无序的固溶体钛合金。含有Nb等β相稳定元素的二元或多元固溶体合金，通过利用材料内部物相的负膨胀特性，用负膨胀抵消基体的正膨胀，获得可变的热膨胀系数，进而获得可调控热膨胀系数的性能。借用钛铌合金的负热膨胀特性，加工焊接成芯片托架准确有效的抑制芯片装配体翘曲问题。这对比于同产品铝合金芯片托架有更大的实际意义，利于实际工程中的应用。
申请号CN202120395644.0的实用新型专利公开了一种控制芯片翘曲的装置，该装置使用压板与芯片接触并对其进行压迫，压板具有背对设置的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面上设置有多个沿厚度方向贯穿所述压板的微气孔，当压板的第二表面与芯片接触并施加压迫时，压板的第二表面与芯片接触面之间的空气能够自压板上的微气孔排出，芯片受到压板的第二表面垂直向下的压力，从而减小在芯片垂直方向的翘曲。该新型实施例提供的一种控制芯片翘曲的装置，能够控制、减小贴片后芯片的翘曲度。但是利用这种装置只能解决小尺寸芯片的翘曲问题，多次热循环后，性能容易衰退，此外，在实际生产使用中，可能会因为压力过大损失芯片，因此工程应用价值较低。
申请号CN200910212396.5的发明专利公开了一种用于减小芯片翘曲度的方法，得到了一种形成集成电路结构的方法，该方法包括正面和背面的晶片，其中，晶片包括芯片；形成从背面延伸到芯片的开口；将有机材料填充到开口中，有机材料基本上都不在该开口的外部，而是在晶片的背面上；以及对有机材料进行烘培以使有机材料收缩。但是利用这种方法得到的有机材料不仅温区窄，并且稳定性较低，不能够适用于高功率大尺寸芯片装配体中。
申请号CN202120908626.8的实用新型专利公开了一种克服基板翘曲的治具结构，该结构属于半导体芯片封装的治具技术领域。该结构是将强磁固定层设置于下载板的上方，其强磁固定层开口将下载板划分为若干个基板装载盘区和强磁固定区，强磁固定区分布在基板装载盘区的四周；基板装载盘区的基板下支撑板的中央向上隆起，并设置贯穿基板下支撑板的通孔，上盖板的上盖板开口部分露出下载板的基板下支撑板，上盖板与下载板通过对位针向上穿过强磁固定层对位固定。但是该结构只能解决大尺寸芯片在封装过程中出现的翘曲问题，对于实际工作中芯片及其装配体出现的发热翘曲问题无法起到作用，这很不利于实际工程中的应用。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架，安装在芯片装配体背部，在实际工作场景，随着温度不断升高，其中四角定位孔在受热后相互靠拢，进而可以对芯片装配体的翘曲进行约束抑制，从而保证芯片封装的共面度。钛合金芯片托架由纯钛和纯铌两种元素组成，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti。
进一步的，一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架的制备方法包括如下步骤：
S1：将纯钛和纯铌元素按照比例配料，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti；
S2：进行真空自耗熔炼铸锭；
S3：铸锭热锻成方坯；
S4：方坯热轧成厚板；
S5：厚板分段切割；
S6：切板进行固溶处理并淬火；
S7：淬火厚板经多道次冷轧成为冷轧薄板；
S8：冷轧薄板经冲裁得到拼接原料；
S9：切割下来的原料拼接组合，再焊接成型；
S10：铣削外形，定位钻孔，对表面进行磨削抛光；
进一步的，S2中真空自耗熔炼次数为5次。
进一步的，S3中热锻的温度范围为1000-1100℃。
进一步的，S4中热轧的温度范围为650-750℃。
进一步的，S6中淬火温度为900-950℃。
进一步的，S7中冷轧薄板的厚度小于等于2mm。
进一步的S9中焊接成型采用的是电子束焊接或者激光焊接，得到芯片托架成品。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、本发明提供的具有"热缩冷胀性能"的钛合金框架可作为芯片托架，能有效约束芯片热变形，其原理是在温度变化过程中,基板受热膨胀发生形变较大，进而产生芯片翘曲现象。芯片托架通过螺栓与基板连接，在基板发生膨胀时，芯片托架发生横向形变抑制了基板膨胀，从而实现了抑制芯片翘曲的功能，防止芯片内部损坏。解决了芯片翘曲带来的结构破坏问题，对保证芯片的可靠性有着重要意义，具有较好的工程应用价值。本方案设计科学、成本较低，适合工业推广使用。
2、本发明提供的芯片托架使芯片更加贴合散热层，减小了散热接触面积变化的影响，使散热效率得到极大提升。实验中先利用有限元软件仿真验证了其准确性，再通过研究安装芯片托架结构前后的芯片实际翘曲情况对比。证实可以有效解决大功率芯片散热条件的差异带来的芯片温度不均匀问题，且有效抑制了模块的静态不均流和动态不均流，优化了模块的开关特性，防止芯片在开通关断瞬间承担过大电流烧毁芯片，保证整个模块可靠运行。
附图说明
图1是本发明提供的一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架的制备方法的流程示意图；
图2是实施例1中一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架纵向应变分布图及两点间应变分析取样位置示意图；
图3是实施例1中一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架纵向应变和温度的关系图；
图4是实施例2中一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架整体应变分布图及两点间应变分析取样位置示意图；
图5是实施例2中一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架整体应变和温度的关系图。
图6是对比例1中一种铝合金芯片托架整体应变分布图及两点间应变分析取样位置示意图；
图7是对比例1中一种铝合金芯片托架整体应变和温度的关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架，钛合金芯片托架由纯钛和纯铌两种元素组成，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti。
一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架的制备方法包括如下步骤：
S1：将纯钛和纯铌元素按照比例配料，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti；
S2：进行真空自耗熔炼铸锭；
S3：铸锭热锻成方坯；
S4：方坯热轧成厚板；
S5：厚板分段切割；
S6：切板进行固溶处理并淬火；
S7：淬火厚板经多道次冷轧成为冷轧薄板；
S8：冷轧薄板经冲裁得到拼接原料；
S9：切割下来的原料拼接组合，再焊接成型；
S10：铣削外形，定位钻孔，对表面进行磨削抛光，得到芯片托架成品；
制备方法的流程示意图如图1所示。
优选地，S2中真空自耗熔炼次数为5次。
优选地，S3中热锻的温度为1000℃。
优选地，S4中热轧的温度为650℃。
优选地，S6中淬火温度为900℃。
优选地，S7中冷轧薄板的厚度小于等于2mm。
优选地，S9中焊接成型采用激光焊接。
经过上述制备，得到了由纯钛和纯铌制作而成的钛合金芯片托架，其中Nb的含量为22％原子百分比，其余都是Ti。将其水平放置于加热台上，采用三维数字图像相关方法进行非接触式光学测量，结果纵向应变分布图及两点间应变分析取样位置如图2所示，纵向应变和温度的关系图如图3所示。
实施例2：
一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架，钛合金芯片托架由纯钛和纯铌两种元素组成，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti。
一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架的制备方法包括如下步骤：
S1：将纯钛和纯铌元素按照比例配料，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti；
S2：进行真空自耗熔炼铸锭；
S3：铸锭热锻成方坯；
S4：方坯热轧成厚板；
S5：厚板分段切割；
S6：切板进行固溶处理并淬火；
S7：淬火厚板经多道次冷轧成为冷轧薄板；
S8：冷轧薄板经冲裁得到拼接原料；
S9：切割下来的原料拼接组合，再焊接成型；
S10：铣削外形，定位钻孔，对表面进行磨削抛光；
制备方法的流程示意图如图1所示。
优选地，S2中真空自耗熔炼次数为5次。
优选地，S3中热锻的温度为1100℃。
优选地，S4中热轧的温度为750℃。
优选地，S6中淬火温度为950℃。
优选地，S7中冷轧薄板的厚度小于等于2mm。
优选地，S9中焊接成型采用电子束焊接。
经过上述制备，得到了由纯钛和纯铌制作而成的四边焊接钛合金芯片托架，其中Nb的含量为22％原子百分比，其余都是Ti。将其水平放置于加热台上，采用三维数字图像相关方法进行非接触式光学测量，钛合金芯片托架的整体应变分布图及两点间应变分析取样位置示意图如图4所示，整体约束应变和温度的关系图如图5所示。
对比例1：
一种同实施例1相同大小的铝合金芯片托架，芯片托架由7075铝合金焊接而成。
S1：7075铝合金冷轧薄板经冲裁得到拼接原料；
S2：切割下来的原料拼接组合，再焊接成型；
S3：铣削外形，定位钻孔，对表面进行磨削抛光；
优选地，S2中焊接成型采用电子束焊接。
采用7075铝合金制备芯片托架，制备方法：切割铝板，通过电子束焊接制成与实施例1相同大小的铝合金芯片托架。制作而成的铝合金芯片托架水平放置于加热台上，采用三维数字图像相关方法进行非接触式光学测量。该铝合金芯片托架整体应变分布图及两点间应变分析取样位置示意图如图6所示，应变和温度的关系图如图7所示。图7反映了铝合金芯片托架在温度升高过程中，整体呈现正膨胀特性，符合金属材料“热胀冷缩”的性质。这与图3和图5中钛合金芯片托架所反映的“热缩冷涨”的性质截然不同。
测试分析
本申请中芯片托架变温DIC热应变测试使用X1515T恒温加热台，测试过程中温度变化速率为5℃5mi5。采用三维数字图像相关方法进行非接触式光学测量，得到的热应变变形结果使用VIC-3D软件进行分析，温度测量范围设置为25至100摄氏度。
实施例1所得钛合金托架的二维应变场分布如图2所示，本实验设置虚拟引伸计测量AB两点和CD两点之间的应变，得到AB两点和CD两点之间的温度-应变关系热膨胀曲线如图3所示，可见实施例1所得材料的温度-应变关系热膨胀曲线近似呈直线型，且AB两点间在25至100摄氏度区间内热膨胀系数CTE为-27.1×10-65℃，材料应变量从0到-0.21％，其CTE值大幅低于纯钛CTE(8.36×10-65℃)，CD两点间在25至100摄氏度区间内热膨胀系数CTE为-21.4×10-65℃，材料应变量从0到-0.16％，CD两点间经过热影响区负膨胀性能下降。由此可知，实施例1所得托架AB两点和CD两点之间受热表现出线性负热膨胀性能，但两者负膨胀性能稍有差异。
实施例2所得钛合金托架的二维应变场分布如图4所示，与实施例1区别在于采用了四边焊接，本实验设置虚拟引伸计测量AB两点和CD两点之间的应变，得到AB两点和CD两点之间的温度-应变关系热膨胀曲线如图5所示，可见实施例2所得材料的温度-应变关系热膨胀曲线近似呈直线型，且AB两点间在25至100摄氏度区间内热膨胀系数CTE为-21×10-65℃，材料应变量从0到-0.15％，CD两点间在25至100摄氏度区间内热膨胀系数CTE为-21.2×10-65℃，材料应变量从0到-0.16％，可见通过相同加工工艺制作得到的焊接框架其四角具有在升温过程中轴向方向同步收缩的特性。由此可知，实施例2所得托架AB两点和CD两点之间受热表现出线性负热膨胀性能。且两者负膨胀性能基本保持一致。
对比例1所得铝合金托架的二维应变场分布如图6所示，通过电子束焊接制作出同实施例1等大小的托架，本实验设置虚拟引伸计测量的AB两点和CD两点之间的应变，得到AB两点和CD两点之间的温度-应变关系热膨胀曲线如图7所示，可见实施例2所得材料的温度-应变关系热膨胀曲线近似呈直线型，且AB两点间在25至100摄氏度区间内热膨胀系数CTE为25.1×10-65℃，材料应变量从0到0.19％，CD两点间在25至100摄氏度区间内热膨胀系数CTE为22×10-65℃，材料应变量从0到0.16％，经过热影响区膨胀性能下降。由此可知，对比例1所得铝合金托架AB两点和CD两点之间受热表现出线性膨胀性能，且两者膨胀性能有所差异。铝合金托架CTE远高于芯片本身的CTE(3×10-65℃)。这在使用过程中会加剧芯片受热翘曲现象，亟待改进。
综上所述，本发明方法通过真空自耗电极电弧技术处理、高温均化扩散处理、热轧处理、冷轧处理以及短时热处理等处理，得到了一种具有热缩冷涨特性的钛合金芯片托架，该钛合金托架在25至100摄氏度区间内，负热膨胀系数为-27.1×10-65℃，且其经过电子束焊接过后，因为热影响区的影响，负膨胀性能下降。负热膨胀系数为-21.4×10-65℃，也完全满足约束芯片翘曲所需的负膨胀范围。
以上详细描述了本发声明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架，其特征在于：钛合金芯片托架由纯钛和纯铌两种元素组成，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti；
所述钛合金芯片托架的制备方法包括如下步骤：
S1：将纯钛和纯铌元素按照比例配料，其中Nb的原子百分比为22％，其余都是Ti；
S2：进行真空自耗熔炼铸锭；
S3：铸锭热锻成方坯；
S4：方坯热轧成厚板；
S5：厚板分段切割；
S6：切板进行固溶处理并淬火；
S7：淬火厚板经多道次冷轧成为冷轧薄板；
S8：冷轧薄板经冲裁得到拼接原料；
S9：切割下来的原料拼接组合，再焊接成型；
S10：铣削外形，定位钻孔，对表面进行磨削抛光；
S11：最后进行装配；
S3中热锻的温度范围为1000-1100℃；
S4中热轧的温度范围为650-750℃；
S2中真空自耗熔炼次数为5次；
S6中淬火温度为900-950℃。
2.根据权利要求1所述的一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架，其特征在于：S7中冷轧薄板的厚度小于等于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有热缩冷胀特性的钛合金芯片托架，其特征在于：S9中焊接成型采用的是电子束焊接或者激光焊接。
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