专利名称：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、 A1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16.6 g/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110 W/m.K)，热膨胀系数相对较高(约10xl(T6/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4.1xl(rVK)， 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)USP6326685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Oi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 40n/。(体积百 分数)的量取含Ni55wty。 60wtM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°C，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°C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160 360 MPa的压应力，于400 500。C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^200 W/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《8.5 g/cm3)。 综上所述，本发明一一一种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。
具体实施例方式
1、 以紫铜板及含55wty。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2.4 mm，宽2.0 mm，间距2.0 mm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2.5 mm x 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。C，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。C真空加热炉中 加热2小时，水冷淬火后，沿板材纵向施加360MPa压应力，于450 'C强制时效10小时，卸载后水冷淬火，20。C-140。C温度区间的平均 热膨胀系数为3.9xl0—6/K。
1、 以紫铜板及含57wtn/。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2.4 mm，宽2.0mm，间距2.0 mm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2.5 mm x 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。C，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'C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 'C强制时效10小时，卸载后水冷淬火，20。C-140。C温度区间的平均 热膨胀系数为6.1xlO'6/K。
实施例3:
1、 以紫铜板及含58 wt%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2.4 mm，宽2.0 mm，间距2.0 mm小槽；另一块厚约1.8mm。 TiNi合金2.5mm厚，线切割至端面 尺寸为2.5 mm x 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。C，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-C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
"C强制时效10小时，卸载后水冷淬火，20。C-140。C温度区间的平均 热膨胀系数为6.7xlO'6/K。 实施例4:
1、 以紫铜板及含60 wt%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2.4 mm，宽2.0 mm，间距2.0 mm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2.5 mm x 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。C，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84(TC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 。C强制时效20小时，卸载后水冷淬火，20。C-140。C温度区间的平均 热膨胀系数为8.4xlO—6/K。
权利要求
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1 60～360MPa的压应力，于400～500℃强制时效10～20h，卸载后出炉、冷水淬火。
全文摘要
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。
文档编号B32B15/01GK101177049SQ20071019240
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月23日 优先权日2007年11月23日
发明者李劲风, 郑子樵 申请人:中南大学