[發明專利]一種電力電子用復合梯度疊層預成型焊片及其制造方法

有效

• 申請號: 202010979440.1
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112171045B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 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: B23K20/00
• 分類號: B23K20/00;B23K35/00;B23K35/40;B22F1/17;C23C28/02
• 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

本發明涉及一種電力電子用復合梯度疊層預成型焊片及其制造方法，包括：復合預成型焊片本體，所述本體采用Cu/Sn/Ag核殼結構粉末壓制而成；所述Cu/Sn/Ag核殼結構粉末是通過對不同粒度的Cu粉先進行電鍍Sn制備Cu/Sn粉末，再對Cu/Sn粉末進行濺射鍍Ag處理制備得到Cu/Sn/Ag粉末；本體表面采用多層復合梯度疊層，每層復合梯度疊層的厚度由內而外逐漸增加；所述多層復合梯度疊層是采用物理氣相沉積工藝對本體上下表面分別均進行第一熔點、第二熔點金屬交替濺射鍍層處理，完成制備，所述第一熔點溫度高于第二熔點。本發明通過在預成型焊片表面制備梯度多層鍍層，同時在覆銅陶瓷基板(DBC)表面電鍍Sn層，在接頭制備過程中采用一定的壓力輔助焊接，可制備出高致密度、低接觸熱阻、高力學可靠性的焊接接頭。

技術領域

本發明涉及電力電子領域，尤其是涉及一種電力電子用復合梯度疊層預成型焊片及其制造方法。

背景技術

電力電子模塊在電動汽車、航空航天、軌道交通等方面的使用越來越廣泛。第三代寬禁帶半導體如SiC，因具有高熔點、高功率密度，以及優越的導熱導電性能成為替代Si芯片的最優材料，要發揮SiC芯片的優越性能，耐高溫的芯片焊接材料和焊接技術是關鍵和制約因素。

傳統的高溫焊接材料包括Au-Sn，Bi-Ag-xSn-xPb、Sn-Pb-Ag。因Au、Ag貴金屬成本高，焊接溫度在280～330℃，影響溫度敏感元器件性能；隨著歐盟對Pb等有毒金屬限制條令的頒布，焊Pb器件及產品逐步退出市場。雖然對電力電子產品給出了豁免期限，但高溫無鉛替代產品及焊接材料研發已迫在眉睫。

目前研究較多的高溫無鉛焊接材料包括燒結納米銀技術及Cu/Sn、Ni/Sn或Au/Sn的瞬時液相擴散焊(TLP)技術等。納米銀燒結焊接技術相比于其他幾種技術具有比較優異的高溫性能。但是，該技術不僅需要較高的成本，而且納米銀容易遷移導致空洞率較高，同時，其焊接工藝與傳統的焊接技術不兼容，導致應用受到限制。

瞬時液相擴散焊接(TLP)技術利用低熔點金屬(如Sn、In等)與兩側高熔點金屬(如Cu、Ni、Au等)形成三明治結構，回流過程，低熔點金屬熔化，與高熔點金屬發生固液互擴散，形成完全界面金屬間化合物的焊接界面。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。CN104476007 A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，助焊膏具有優良的防坍塌功能，該技術是一種非常具有實用前景的可與傳統焊膏工藝相兼容的高溫；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CN104588906 A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，性能穩定，但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復合預成型焊片，雖然解決焊膏的揮發造成的空洞率大的問題，但依然存在韌性差、強韌性不匹配的問題，同時和芯片及基板存在非共面性，界面難以實現致密焊接，導致接觸熱阻大、機械性能差、可靠性低的問題。

發明內容