[發明專利]一種強韌一體性Cu/Sn/Ag焊接材料原位增韌方法

有效

• 申請號: 202010979413.4
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112157257B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 徐紅艷;徐菊
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: B22F1/17
• 分類號: B22F1/17;B22F3/02;B22F5/00;B23K20/00;B23K20/26;B23K35/40;C23C14/16;C23C14/34;C23C28/02;C25D3/30
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨

一種強韌一體性Cu/Sn/Ag焊接材料原位增韌方法，步驟(1)將不同粒徑的銅顆粒均勻電鍍一層2～3μm Sn鍍層，然后在Cu/Sn粉末表面物理均勻沉積一層～1μm Ag層，得到Cu/Sn/Ag粉末；步驟(2)將步驟(1)制備的Cu/Sn/Ag粉末進行配比，放置于混料機中，在100～300r/min速率下，機械混合1～2h，得到粒徑均勻混合的粉末；步驟(3)將步驟(2)制備的粉體在高壓壓片機上壓力成型，所述高壓壓片機壓力范圍為10～30MPa，得到厚度為100～400μm的Cu/Sn/Ag復合預成型焊片；步驟(4)對所述的復合預成型焊片進行低溫瞬態液相擴散焊接，在低于Sn的熔點處，通過Sn與Cu、Sn與Ag同時發生擴散反應，使得低熔點的Sn完全轉化為耐高溫的Cu₃Sn和Ag₃Sn界面金屬間化合物，制備出Cu₃Sn/Ag₃Sn包覆Cu顆粒的三維網絡結構接頭。

技術領域

本發明涉及一種電力電子封裝用耐高溫三維網絡接頭的無鉛預成型焊片、及一種強韌一體性Cu/Sn/Ag焊接材料原位增韌方法。

背景技術

電力電子(或功率)模塊是重要的能源變換和控制器件，廣泛應用于航空航天、軌道交通、先進能源、電動汽車、石油鉆井、重大及先進裝備制造、前沿科學研究等領域。隨著電子產品向微型化、高密度、大功率方向發展，以及以SiC為代表的第三代半導體器件的工業化應用，電力電子模塊面臨著更高耐受溫度和更高可靠性的挑戰，同時模塊的全面無鉛化逐步提上日程，相應的無鉛封裝接頭需要在300℃以上具備優異的熱、電及力學性能和可靠性。低溫瞬態液相擴散連接(Low Temperature-Transient Liquid Phase Bonding,LT-TLPB)結合了擴散焊接和釬焊工藝的特點，采用Cu、Sn、Ni、Ag等常規焊接材料，在低溫下焊接(280℃)形成高熔點金屬間化合物(400℃)，是高溫功率器件特別是第三代功率半導體(SiC或GaN)芯片焊接中非常有潛力的技術。

典型的“三明治”金屬結構-LT-TLPB制備的耐高溫純界面金屬間化合物(IMCs)接頭，它是基于中間層為Sn、In等低熔點金屬，表面層為Cu、Ni、Au、Zn等高熔點金屬的三明治結構，利用低熔點金屬熔化而產生液-固互擴散，生成耐高溫IMCs作為連接接頭的焊接技術，利用這種焊接技術的焊接層厚度一般小于20μm，不利于吸收因芯片及基板等系統材料熱膨脹系數適配產生的熱應力，難以滿足電力電子器件高可靠封裝的需要。中國專利CN100475996C公開了一種高溫無鉛焊料用組合物、生產方法及元件，該無鉛高溫焊料包含一種含銀2wt％-18wt％、含鉍98wt％-82wt％的銀鉍合金，具有固相線不低于262.5℃、液相線不高于400℃，但是，該無鉛焊料用組合物強度和塑性較低，此焊料用普通助焊膏做成的錫膏在抗坍塌能力較差，錫珠較多等不良，不利于該無鉛焊料用組合物的工業化生產和推廣。CN104476007A公開了一種高熔點無鉛無鹵焊錫膏及其制備方法，該焊錫膏焊料合金具有固相線溫度高于260℃以上，具有強度高，塑性高，抗疲勞特性強的優點，但該助焊膏具有工藝復雜、易污染腔室，制備的接頭孔洞率大燈問題；中國專利CN101234456A公開了一種錫銀金無鉛焊接材料及其制備方法，其熔化溫度可達到300℃，潤濕性和電學性能優良，焊接效果良好，可代替傳統的Sn-95％Pb焊料合金。其組成為銀8～13％、金35～45％，其余為錫。貴金屬用量大，成本高，焊接溫度高；中國專利CN104588906A公開了一種Sn-Cu高溫無鉛焊膏及其制備方法和使用方法，該焊膏焊接的樣品使用溫度可高達400℃，焊縫剪切強度高，但彈性和塑性不足，并且該技術仍然沿用的是焊膏，需要采用容易產生污染的絲網印刷工藝；由于焊接過程，焊接材料不能潤濕鋪展，因此，焊膏揮發后留下大面積的孔洞，接頭疏松，影響導熱效率及可靠性；中國專利CN103753049A公開一種Cu/Sn焊片，耐溫性高，但Cu₃Sn生成過程產生的柯肯達爾空洞高，導熱、導電性能受到影響，另外，Cu顆粒彈性模量高，接頭韌性不足，高溫下可靠性難以滿足要求。

發明內容