[發明專利]一種銅/錫納米復合粉末活性焊料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710683339.X
• 申請日: 2017-08-07
• 公開（公告）號: CN107350655B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 趙興科;徐守凱;寇露露;肖宇
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B23K35/02
• 分類號: B23K35/02;B23K35/30;B23K35/40
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

一種銅/錫納米復合粉末活性焊料及其制備方法，屬于電子封裝技術領域。該活性焊料由銅、錫兩金屬通過機械活化復合而成，銅、錫的摩爾比為1:1~3:1；所述的復合粉末的顆粒尺寸為數十至數百微米，由銅、錫以層狀形式交替排列組成，每層的厚度為數十至數千納米；所述的復合粉末的顆粒內可能形成少量的銅錫金屬間化合物。復合粉末活性焊料的機械活化制備方法為高能球磨，所述的高能球磨采用純銅、純錫粉末為原材料，銅粉、錫粉原料的摩爾比為1:1~3:1，使用真空或氣氛保護，球磨時間為0.5~8小時。本發明具有制備工藝簡單、連接溫度低、連接時間短，可用于新一代芯片及其耐高溫電子器件的電子封裝。

技術領域

本發明屬于電子封裝領域，涉及一種銅/錫納米復合粉末活性焊料及其制備方法。

背景技術

新一代半導體高溫功率芯片可以大幅提高電子器件的服役溫度，耐高溫封裝技術需求已變得更加緊迫。高鉛釬料釬焊是傳統的高溫封裝技術，然而由于鉛對環境造成的巨大危害已使得電子封裝領域全面禁用含鉛釬料，無鉛焊料和及其連接技術成為新型電子封裝的關鍵。

金基釬料是一類較早被研究并應用的高溫無鉛釬料，已經發展的體系有Au-Sn、Au-Ge、Au-Si等。金基釬料與傳統高鉛釬料相比耐腐蝕性強，導熱導電等物理性能優良，缺點是較脆且硬度高，不易于加工制備成形；另外，金基釬料價格昂貴，也極大地制約了其在封裝領域中的大規模應用。Ag-Bi基釬料和Sn-Sb基釬料具有與高鉛釬料相近的固相線溫度，也是綜合性能較好的兩類高溫無鉛釬料，且價格相對較低、制備工藝簡單，可直接做成釬料膏，在高溫電子器件連接中已經有了一定的應用。然而，高溫釬料要求較高的連接溫度，這種高溫加熱過程會加劇電子器件中各種材料熱膨脹系數的不匹配而導致應力、變形、甚至電子器件的破壞，從而降低電子器件的可靠性和使用壽命。

近年來，國內外在高溫封裝技術方面的開發思路是“低溫連接/高溫服役”，以降低封裝溫度，減小加熱過程對電子器件的熱損傷，而同時又能獲得盡可能高的耐熱溫度。按照這一思路已開發的電子封裝技術主要有納米銀顆粒燒結連接、固液互擴散連接或瞬時液相燒結連接等。納米銀燒結連接是一種利用納米顆粒的表面效應（降低到納米級尺寸粉末比表面積和表面能增加）在較低的溫度(200~350℃)和一定的壓力（一般為1~30MPa）下實現的耐高溫封裝連接技術。納米銀燒結接頭的強度高、導電和導熱性優良，耐熱性好，總體來看，納米銀低溫燒結連接是一種能夠在較低溫度下實現的耐高溫封裝連接技術。然而由于固態燒結連接自身存在的不足，輔助壓力較大，連接時間較長，應用受到限制。

固液互擴散連接或瞬時液相燒結連接是利用兩種熔點差異較大的金屬作為連接材料，連接過程中低熔點金屬熔化形成液相，利用低熔點金屬與高熔點金屬之間固-液互擴散/反應來實現等溫凝固、連接并獲得耐高溫接頭的連接方法。目前已研究固液互擴散連接二元金屬體系主要有Cu-In、Au-In、Au-Sn、Ag-In、Ag-Sn、Sn-Cu和Sn-Ni等，這些二元金屬體系的共同特點是能夠形成高熔點的金屬間化合物，這種高熔點金屬間化合物是固液互擴散連接接頭耐熱溫度能夠顯著高于連接溫度，從而實現“低溫連接/高溫服役”的關鍵。固液互擴散連接得優點是通常不需要壓力，加熱溫度也相對較低；其缺點是反應動力學較慢，要想得到不含低熔點相的連接接頭，連接過程通常需要數十分鐘。

從以上分析得知，現有耐高溫電子封裝技術存在連接溫度高、連接壓力大或連接時間長等缺陷，不能滿足未來新一代芯片及其電子器件耐高溫連接的需求。

發明內容

為了克服現有技術的缺點，本發明提出了一種銅/錫納米復合粉末活性焊料及其制備方法，通過使錫、銅納米尺度復合，增加兩者的接觸面積和反應活性、改善高熔點金屬化合物的反應動力學，從而減小連接壓力、降低連接溫度和縮短連接時間。

一種銅/錫納米復合粉末活性焊料，所述的焊料粉末顆粒由銅、錫兩種金屬元素組成，其組成方式是兩種金屬通過機械活化復合而成，銅、錫的摩爾比為1:1~3:1。