[發(fā)明專利]一種用于功率器件封裝的新型釬料

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710484680.2
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107322178A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發(fā)明（設計）人: 孫鳳蓮;韓幫耀;班高放;劉洋;劉洋;樊嘉杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學;常州市武進區(qū)半導體照明應用技術研究院
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及幾種新型復合釬料的成分設計。

背景技術

以Si和GaAs為代表的傳統(tǒng)半導體材料的發(fā)展推動了光電子、微電子的迅猛發(fā)展，然而由于材料性能的局限性，第一代、第二代半導體材料不足以滿足現(xiàn)代電子技術發(fā)展對高溫、高頻、高壓以及抗輻射等材料性能提出的新要求，而以SiC、GaN為代表的第三代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速率高及抗輻射能力強等性能，使其在光電器件、高頻大功率、高溫電子器件等方面倍受青睞。

80Au-20Sn釬料是人們研究較早的高溫釬料。80Au-20Sn合金為二元共晶成分，共晶點為280℃。釬焊溫度比較適中，滿足高溫釬料的熔化溫度要求。Au基合金強度高、導電和導熱性優(yōu)良，耐蝕性強，焊接時可以不需要助焊劑，保證芯片的清潔。但Au基合金較硬、抗拉強度高、伸長率較低、可加工性差，難以加工成線材或帶材。而且互連接頭在較高溫度下服役時，由于硬度高使其接頭難以發(fā)生塑性變形，易使接頭產(chǎn)生的熱應力直接傳遞到芯片等電子元件上，嚴重時可導致芯片等元件的失效。最為重要的是Au基合金成本太高，因此適用場合極為有限。名稱為“錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料及其制備方法(專利申請?zhí)枺篊N201010623783.0，申請日：2010.12.31)”的專利提出了一種用于集成電路的氣密性封裝焊料，其組成及質量百分比為：銻，8-11%、銀，3-20%；名稱為“高溫無鉛焊料合金 (專利申請?zhí)枺篊N201280007265.3，申請日：2012.08.08)”的專利提出了一種高溫無鉛封裝焊料，其組成及質量百分比為：銻，35-40%、銀，13-18%、Cu，6-8%、錫，余量。該釬料的熔點高達299-337℃，在280℃釬料的固相率為100%。但該焊料脆性高適用場合有限。名稱為“一種SnAgCuNi系無鉛焊錫合金(中國專利號：CN200710041687.3，申請日：2007.6.6)”的專利提出了一種SnAgCuNi系無鉛焊錫合金，其組成及質量百分比為：1.5-2.5%的Ag、0.1-0.8%的Cu、0.01-0.5%的Ni、0.001-0.1%的P、0-0.01%的Bi，該釬料中熔點為220℃左右，不能滿足第三代半導體功率器件封裝的溫度要求。

發(fā)展替代或部分替代Au基釬料的新型釬料及其他互連工藝已成為業(yè)界的迫切需要并具有重要的現(xiàn)實意義。Sn-Sb系合金由于Sn-Sb（Sb≦10%）合金熔化區(qū)間較窄（232～243℃），并且與現(xiàn)有焊料兼容性良好、力學性能優(yōu)良，而成本大大低于Au-Sn合金，因而作為高溫無鉛候選材料備受關注。為進一步提高釬料性能，通過添加其他的金屬元素，對Sn-Sb系合金進行改性，使其焊點在服役過程中具有較高的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有功率器件連接高溫釬料可加工差，成本過高的問題，而提供一種在相對較低溫度可以替代現(xiàn)有Au基合金釬料的新型釬料。新釬料成本僅為SAC305釬料成本的一半左右，Au80Sn20釬料成本的0.1%以下。

新型釬料以Sn-Sb合金為基體，通過添加合金元素制成。實驗采用 Sn-Sb、SnCu、Sn-Ag、Sn-Ni 中間合金的形式進行熔煉.本發(fā)明的高溫釬料按照質量百分比由以下成分組成Sb含量為2～5%、Cu含量為0.1～2%、Ni含量為0.1～0.5%、Ag含量為0.1～0.5%，其余為Sn。

本發(fā)明釬料是由原料在石英管中在氬氣的保護氣氛下經(jīng)高頻感應加熱儀加熱熔煉而成，熔煉成的塊體合金可以經(jīng)線切割制成片狀釬料，也可以制成粉料或者焊膏。

本發(fā)明是由以下技術方案實現(xiàn)的:一種用于功率器件焊接的無鉛釬料，釬料的成分百分比為：Sb含量為2～5%;Cu含量為0.1～2%;Ni含量為0.1～0.5%;余量為錫(Sn)。上述方案優(yōu)化了Cu，Ag，Ni的組分，得到了潤濕性良好，剪切強度較高的高溫釬料。

本發(fā)明的機理是：添加Ag和Cu能明顯改善釬料的潤濕性，提高導熱性，導電性。添加Sb可以提高釬料的熔點。添加Ni細化焊點體釬料的微觀組織，提高焊點的綜合力學性能。

本發(fā)明可以采用常規(guī)生產(chǎn)釬料的冶煉方法得到，本發(fā)明優(yōu)先采用的方法是：根據(jù)設計的成分配比按照Sn錠和Sn-Sb合金、Sn-Cu和Sn-Ag、Sn-Ni合金的順序依次加入，在高純氬氣的保護氣氛中熔煉，熔煉結束后倒在鋁制模具上冷卻。

本發(fā)明的優(yōu)點：釬料成本低，強度高，焊接性優(yōu)良。

附圖說明

圖 1：表1不同實施例(1、2、3、4)的基本性能。