CN101157163A - 一种金合金钎焊材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电子器件高温封装用中温金基合金钎料，钎料由重量百分比Au77～73％、In23～27％In构成；钎料是一种用多层叠加复合轧制方法制造的箔带材，钎料箔带材的规格为0.02～0.10mm。钎料适合在500～510℃保护气氛条件下，钎焊镀金可伐、无氧铜、纯镍、纯银等多种母材，具有优良的漫流性和间隙填充性，钎焊接头牢固；钎料箔带材塑性高，具有良好的工艺性能。

Description

一种金合金钎焊材料及其制造方法

技术领域  本发明涉及一种微电子器件高温封装钎焊用金基钎焊材料，特别是涉及含有金、铟的金基合金钎料及其箔带材的制造方法。

背景技术  在微电子器件封装工艺中，随着高温半导体新材料的应用和器件功率的提高，现有熔化温度低于400℃的共晶型Au-Ge、Au-Si等钎料熔化温度偏低，不能满足高温封装工艺技术要求，希望有一种熔化温度略高、钎料的熔点在450～500℃范围以内、且适合在500℃～550℃、保护气氛条件下钎焊的中温钎焊材料，为了保证钎料在镀金母材上具有优良的漫流性和间隙填充性，钎料的固相线和液相线间隔越小越好，最好是零，即共晶型合金，此外，钎料合金成分中不能含有Pb、Zn、Cd有毒和高蒸气压组元，钎料不能过渡的溶蚀镀金层，以保证器件高可靠的封装；

在现有的技术中，国外曾有熔点480～500℃的Au82-In18和Au80-In20牌号报道，但未见其制造法的报道；近年国内曾有Au-Ag-Si系中温钎料^[1]和Au-Ag-Ge系中温钎料的报道^[2]，其中，Au-Ag-Si合金系钎料固-液相线间隔为31～51℃、Au-Ag-Ge钎料固-液相线间隔为41℃，上述两个合金系钎料的熔点虽然均低于500℃，但其主要不足之处是钎料的固-液相线间隔过宽，均大于30℃，致使钎料熔化后在母材上的漫流性和间隙填充性欠佳，不利于精密电子器组装钎焊综合质量的改进和性能的提高。

根据现有的Au-In二元相图^[3]可知，在Au-In合金系中，In组元含量在重量百分比18～27％范围内，合金的液相线温度位于450～500℃，且合金的固-液相线间隔狭窄，特别是In含量重量百分比在23～27％范围内，其固-液相线间隔为0℃～3.3℃，是共晶和接近共晶合金。

实践表明，共晶型和接近共晶成分合金钎料，在电子器件封装工艺中可大大提高钎料在精密构件母材上的漫流性和间隙填充性，从而，可有效地提高钎焊接头的综合质量和增强精密电子器件工作的稳定性和可靠性。

发明内容  本发明的目的是提供一种熔化温度在450～500℃范围之内、适合高温半导体材料，特别是含有镀金层的材料，在500～510℃高温封装应用的金基合金钎料，更具体地说，是利用复合方法制造的一种Au-In合金复合钎料箔带材及其制造方法。

本发明提出的微电子器件高温封装应用的Au-In钎料成分，由用重量百分比计量的Au_100-X％In_X％(X＝23～27)构成。

在本发明提出的重量百分比Au77～73％In23～27％In的成分范围内：含有24％In的合金是共晶合金，理论共晶温度454.3℃^[3]，其固-液相线间隔为零，除此成分之外的其它成分的固-液相线熔化温度分别为454.3℃和457.6℃，固-液相线间隔为3.3℃；

在Au-In合金系里，钎料合金中In低于重量百分比23％或高于27％，合金的熔化温度将不是共晶型合金，在In重量百分比含量20～23％和27～35％范围内的Au-In合金，虽然其液相线温度低于≤500℃，但会出现较大的固-液相线间隔，不能满足在500～510℃条件下要求高的漫流性、间隙填充性的工艺要求。

在Au-In二元合金系中，在所选定成分范围内，钎料合金是共晶和接近共晶的合金，在室温条件下，合金的组织是由立方结构的Au7In3(γ′相)和三斜结构的AuIn(β相)两个金属间化合物构成的共晶体，合金脆性较大，用通常的加工方法制备困难较大。

本发明提出了一种采用复合的方法制备脆性Au-In共晶型钎料箔带材的新方法，采用该方法制备的厚度为0.02～0.10mm箔带材塑性高，可冷冲压成各种规格的预成形焊片，钎焊工艺性优良，综合性能试验表明，该方法制备的Au-In中温钎料箔带材，在微电子封装工艺中常用的多种母材上具有优良的漫流性和间隙填充性，钎焊多种母材的接头牢固，气密性高，在高温半导体封装工艺中具有广泛的实用性。

本发明的Au-In箔带材中温钎料制备方法尚未见诸报道，具有一定的创造性和新颖性。

本发明Au-In复合钎料制备方法如下：

1.合金原料：纯度为≥99.9％Au和纯度≥99.9％In；

2.复合方式：在室温条件下，复合诸元层状叠加轧制复合，总叠加的层数K≥3；

3.复合诸元成分：本发明复合诸元有两个，分别为W和N；复合诸元的成分W和N的构成为：W：重量百分比In 100％～80％，Au0～20％；N：重量百分比Au 96～100％，In 4～0％

4.复合诸元的排列顺序：

按照图1所示以N为中心，两外侧W排列顺序，可分别排列成总层数为3、7、11、15层或更多层的叠加。

5.复合钎料箔带材的制备：

预先将复合诸元W和N按合金设计的成分加工所需厚度的带材，按照图1所示的排列顺序进行叠加，然后，在室温条件下进行复合轧制加工，制成复合坯料，热处理后进行中轧，再进行热处理、精轧到所需规格的箔带材，加工中间的热处理温度为200～350℃，时间为1～3h，热处理在保护气氛或真空条件下进行；Au-In钎料的箔带材的规格为0.02～0.10mm。

本发明的Au-In钎料箔带材和现有技术中的Au-In18和Au-In20牌号箔带材钎料相比，本发明钎料箔带材具有：箔带材塑性高、冷冲压工艺性强；熔化温度和钎焊温度均比现有牌号低40℃左右；在多种母材上的漫流性和间隙填充性优异；成本相对较低、制造方法简单，成品率高等优点。

附图说明：

图1为复合诸元3层和7层排列顺序示意图。

图2为厚度为0.05mm Au-In钎料箔材。

图3为钎料箔材的TDA热分析曲线。

图4为钎料在镀金可伐上的优良漫流性。

图5为钎料对无氧铜/纯镍的钎焊特性。

具体实施方式：本发明提出的微电子器件高温封装应用的Au-In钎料成分，由用重量百分比计量的Au_100-X％In_X％(X＝23～27)构成，并一种采用复合的方法制备脆性Au-In共晶型钎料箔带材的新方法，采用该方法制备的厚度为0.02～0.10mm箔带材塑性高，可冷冲压成各种规格的预成形焊片，本发明Au-In复合钎料制备方法如下：

1、合金原料：纯度为≥99.9％Au和纯度≥99.9％In；

2、复合方式：在室温条件下，复合诸元层状叠加轧制复合，总叠加的层数K≥3；复合诸元成分：本发明复合诸元有两个，分别为W和N；复合诸元的成分W和N的构成为：W：重量百分比In 100％～80％，Au0～20％；N：重量百分比Au 96～100％，In 4～0％

3、复合诸元的排列顺序：按照图1所示以N为中心，两外侧W排列顺序，可分别排列成总层数为3、7、11、15层或更多层的叠加。

4、复合钎料箔带材的制备：预先将复合诸元W和N按合金设计的成分加工所需厚度的带材，按照图1所示的排列顺序进行叠加，然后，在室温条件下进行复合轧制加工，制成复合坯料，热处理后进行中轧，再进行热处理、精轧到所需规格的箔带材，加工中间的热处理温度为200～350℃，时间为1～3h，热处理在保护气氛或真空条件下进行；Au-In钎料的箔带材的规格为0.02～0.10mm。

实施例1

采用本发明制造方法制备的一种W＝重量百分比Au85％、In15％；N＝重量百分比Au99％、In1％；K＝3、钎料成分为重量百分比Au 75.9％，In24.1％、厚度为0.05mm共晶型复合钎料箔带材的形貌和综合性能如下：

(1)钎料形貌特征：钎料形貌特征如图2。

(2)钎料熔化特性：图3钎料的熔化特性曲线表明，其固相线温度454.7，液相线温度458.6℃，固-液相线间隔约为4℃，其热分析曲线呈现出典型的共晶型合金特征。

(3)漫流性

钎料在500～510℃、保护气氛条件下，在镀金可伐合金、无氧铜、纯镍、纯银和4J29可伐母材上的漫流性以及对无氧铜/纯镍母材的钎焊特性如表1和图4、图5所示。

表1：钎料的润湿性和漫流性

母材类型	润湿和漫流特性
		镀金可伐合金	润湿，漫流性最佳
无氧铜	润湿，漫流性优良
		无氧铜	润湿，漫流性优良
纯银	润湿，漫流性优良
		4J29可伐合金	润湿，不漫流

(4)接头强度

钎焊不同母材的剪切强度如表2所示。

表2：保护气氛/510℃剪切强度

母材类型	平均剪切强度(MPa)
		Cu/Ni	26.9
Ni/Ni	22.8
		镀金可伐/镀金可伐	34.3

Claims (3)

1.一种金合金钎焊材料，其特征在于合金由重量百分比Au 77～73％、In23～27％In构成。

2.权利要求1所述的金合金钎焊材料，其特征在于钎料箔带材是由W和N两个复合诸元多层叠加，在室温条件下，经过多道次复合轧制加工制成，其复合诸元W由重量百分比100％～80％In，0～20％Au构成，N由重量百分比96～100％Au，4～0％In构成；W和N复合叠加的顺序是以N为中心，两外侧为W，即按W/N/W、W/N/W/N/W/N/W顺序排列，与此类推，分别形成3、7、11、15层叠加；叠加的总层数K≥3。

3.权利要求1或权利要求2的金合金钎焊材料用于电子封装钎焊用中温钎料。

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