[發明專利]一種微納米銅球表面鍍附具有可焊性厚度的厚錫層的鍍附方法

有效

• 申請號: 201510664334.3
• 申請日: 2015-10-14
• 公開（公告）號: CN105290418B
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 陳宏濤;胡天麒;李明雨
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;B22F1/02
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 韓英杰

本發明提供了一種微納米銅球表面鍍附具有可焊性厚度的厚錫層的鍍附方法，得到表面鍍附有厚錫層的基于Cu@Sn核?殼結構雙金屬粉。使用所述雙金屬粉材料壓制的預置片進行焊接即可實現低溫(250℃)焊接，所得焊點能經受高溫(676℃)服役，并且極大的提高了焊點可靠性和焊縫的穩定性，可以廣泛應用于各種高溫焊接領域。

技術領域

本發明屬于材料化學與材料加工交叉技術領域，涉及一種微納米銅球表面鍍附具有可焊性厚度的厚錫層的鍍附方法。

背景技術

高溫功率器件由于其在汽車、井下石油天然氣行業、飛行器、空間探測、核反應環境以及雷達等領域的巨大潛力而越來越受到人們的關注。目前市面上的IGBT芯片普遍以硅為原材料，但是由于硅材料禁帶寬度、臨界擊穿電場強度、電子飽和速率等各項參數均較低，目前該種材料的發展已接近瓶頸。碳化硅(SiC)比硅材料具有更好的物理性質，由SiC制成的功率器件具有關斷拖尾電流小、響應速度快的特性。同時該材料制成的功率器件能夠經受很高的溫度，特別適合于高功率高頻率以及高溫環境下的應用。目前碳化硅芯片已經在一些領域投入商業化應用，并且有望完全替代硅芯片成為第三代半導體。當前正值第三代碳化硅半導體即將廣泛推廣應用之際，但適用于該種功率器件封裝使用的能經受高溫服役條件的釬料卻少之又少，并且各有優缺點，因此急需開發出一種能夠具有高熔點高可靠性的釬料。

目前，用于高溫功率器件的芯片粘貼工藝主要有使用改進的合金釬料、納米銀燒結法以及瞬態液相連接(Transient Liquid Phase bonding,TLP)工藝等。這些工藝各有其特點，但也都有自身的應用局限性。高溫合金釬料主要包括金基體系、鉛基體系、鋅基體系、鉍基體系以及銀基體系。在這些候選成分中，金基合金如Au–Sn(Tm＝280℃)和Au–Ge(Tm＝356℃)是比較普遍的高溫釬料，但金基合金的共晶組織硬度很高，同時能夠與其熱膨脹系數相匹配的基板材料也十分有限，金基釬料成本高，也限制了其大規模的批量生產；鉛基合金雖具有諸多優點，但由于鉛具有毒性，隨著電子產業無鉛化的推進，顯然不再適用于當前；鋅基釬料的潤濕鋪展性不好，同時由于其塑性不高，易出現硬脆相；鉍基釬料(如Bi-Ag)在Cu基板上的潤濕性不高，結合強度較弱，塑性差，而目前絕大多數電子產品的基板均為Cu基板，所以這也限制了該釬料的應用。并且，高溫合金釬料的熔點較高，進行釬焊互連時必須加熱到釬料的熔點，所以焊接時更高的回流焊接溫度將會對器件產生更大的可靠性損害。納米銀燒結法被業界認為是最有潛力高溫無鉛焊料替代產品，燒結之后的納米銀具備優良的熱導率(240Wm^-1K^-1)和電導率(4.1×10^-7Sm^-1)以及較高的熔點(961℃),特別吸引人的是納米銀的燒結溫度，目前業內以及實現低溫甚至室溫下的納米銀燒結技術，而燒結之后的納米銀熔點則恢復到961℃，這就表明如果采用納米銀來進行連接時只需要較低的回流焊接溫度使納米銀彼此燒結，則得到的燒結銀焊縫再次融化則需加熱到961℃的高溫，因此納米銀具備低溫燒結所得焊點能經受高溫的優點；但是，納米銀燒結技術同時又有若干缺點，比如原材料比較貴所以不適合應用于企業大批量生產；納米銀燒結技術與傳統釬焊工藝生產車間的兼容性小，如果大規模應用需要設備的整體更換；應用納米銀進行燒結焊接時需要壓力輔助(通常為幾兆帕)，而且即使如此也會因為燒結頸的限制所得的燒結之后的銀具有微觀的孔洞，極易成為微裂紋萌生和擴展的源，并且高溫下銀存在電遷移的問題，這都會對整個焊點的可靠性產生不良影響。另一種可行的方法是瞬態液相燒結法(TLPS)或固液互擴散(Solid Liquid Interdiffusion)它的焊接原理完全不同于納米銀燒結法，在TLP鍵合工藝中，至少需要兩種組元，一種熔點低作為釬焊材料(比如錫)，而另一種熔點較高作為器件的基板(比如銅)，低熔點的釬料置于待連接的兩高熔點基板材料之間。低溫回流時，低熔點的釬料熔化并在與高熔點材料的界面處潤濕鋪展，使得整個組織無空隙；之后的回流過程中，兩種材料在界面處發生互擴散運動并生成化合物(比如Cu₆Sn₅)，隨著擴散運動的進行化合物不斷長大最終消耗掉全部的低熔點材料形成焊縫處完全是化合物的焊點。這種化合物通常具備較高熔點，從而能實現低溫焊接所得焊點能經受高溫的目的。這種焊接方法的優點是原材料來源廣泛成本低廉，且與當前企業產線的機器有較高的加工兼容性；缺點是整個工藝流程中由于元素的擴散速度有限，就使得化合物形成和長大的速度比較慢，因此要得到全化合物焊點的組織所需時間也很長。所以TLP工藝目前僅適用于窄焊縫的焊接，由于熱膨脹系數的差異，焊縫處會產生應力集中問題，而對應較窄的焊縫這個問題則更加突出，外加化合物通常為硬脆相，這就大大增加了化合物服役過程中焊點開裂失效的可能性。而增大焊縫厚度雖然可以解決應力集中的問題，但回流時間或回流溫度也會因此而增大，更大的回流時間或更高的回流溫度都會對基板上的其他器件帶來不利影響。