CN101293294A - 一种铝碳化硅封装外壳的封接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域,提供了一种铝碳化硅复合材料(SiCp/Al)用作封装外壳和盖板时的密封封盖方法。适用于微电子封装中混合集成电路、毫米波/微米波集成电路、多芯片组件等微电子器件的封装外壳。本发明首先在SiCp/Al复合材料表面进行双层镀覆;再将具有表面镀层的SiCp/Al复合材料外壳与盖板用Sn基焊料焊接在一起。本发明不仅大大降低了生产成本,同时还解决SiCp/Al复合材料封接困难问题,为有关金属外壳厂广泛使用SiCp/Al复合材料作为外壳和盖板材料铺平道路。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,提供了一种铝碳化硅复合材料(SiCp/Al)用作封装外壳和盖板时的密封封盖方法。适用于微电子封装中混合集成电路、毫米波/微米波集成电路、多芯片组件等微电子器件的封装外壳。
背景技术
金属封装是采用金属作为壳体或底座,芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上,引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃-金属封接技术的一种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装,主要是军用和定制的专用气密封装,在许多领域,尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。传统的封装外壳材料可伐合金(kovar)虽然具有合适的CTE,能与硼硅硬玻璃匹配封接,且具有良好的焊接性、加工性,但是由于其热导率低,电阻率高,密度也较大,使其广泛应用受到了很大限制。高体积分数SiCp/Al复合材料不仅比强度高、比刚度高,而且导热性能好、CTE可调、密度较低,这些性能使它成为能替代可伐合金且满足气密封装需要的理想材料。
传统的可伐合金外壳进行封盖时,其表面会先后电镀Ni与Au,形成一种Ni/Au双镀层结构,其中镀Ni层与镀金层的厚度分别约为6μm和1.3μm。镀Au层的主要作用为提高镀层的抗腐蚀能力与增加与钎料的润湿性。镀后的可伐合金会用Au-Sn共晶钎料进行焊接。Au-Sn合金所用的原材料系由纯度分别为:金99.95%和锡99.99%所组成,其组成比例是Sn∶Au=22∶78,因此焊料的造价非常昂贵。
目前国内相关金属外壳厂所一直没有能把SiCp/Al复合材料真正用于金属外壳上,主要是因为缺乏适用于SiCp/Al复合材料封接的工艺和技术。
发明内容
本发明目的是用Sn-Ag-Ni焊料取代传统的Au-Sn合金,同时解决SiCp/Al复合材料封接困难问题,为有关金属外壳厂广泛使用SiCp/Al复合材料作为外壳和盖板材料铺平道路。
一种铝碳化硅封装外壳的封接方法,其特征是工艺步骤如下:
(1)首先在SiCp/Al复合材料表面直接化学镀Ni(P)合金,其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为2%~12%,余量为Ni,Ni(P)镀层厚度为1.0~9.0μm。
(2)在镀Ni(P)合金后的表面化学镀Ni(B)合金,其中Ni(B)镀层的B质量百分含量为0.5%~4%,余量为Ni,其厚度为0.1~8.0μm。
(3)将Ni(P)/Ni(B)双镀层结构的SiCp/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊,SiCp/Al复合材料外壳与盖板焊接表面是Ni(P)/Ni(B)双镀层结中间是用Sn-Ag-Ni焊料,如图1所示。焊接条件如下:真空度为1×10-3Pa,焊接温度为240~290℃,焊接时间为2~30分钟。上述工艺的优选范围为:
(1)首先在SiCp/Al复合材料表面直接化学镀Ni(P)合金,其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为4%~10%,Ni(P)镀层厚度为3.0~7.0μm。
(2)在镀Ni(P)合金后的表面化学镀Ni(B)合金,其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为1%~3%,其厚度为1.0~4.0μm。
(3)将Ni(P)/Ni(B)双镀层结构的SiCp/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊。焊接条件如下:真空度为1×10-3Pa,焊接温度为270~290℃,焊接时间为2~10分钟。
由于SiCp/Al复合材料的表面有非金属的SiC颗粒,所以直接在其表面进行电镀Ni比较困难且镀层质量难以保证,所以本发明采用化学镀的方式对SiCp/Al复合材料进行镀覆。同时,由于Ni(B)镀层在抗腐蚀性和与钎料的润湿性方面与Au-Sn焊料相似甚至优于它,本发明采用Ni(P)/Ni(B)双镀层代替传统的Ni/Au电镀双镀层。由于Au-Sn焊料造价昂贵,所以本发明使用Sn-Ag-Ni焊料取代传统的Au-Sn合金。使用Sn-Ag-Ni焊料的另一种优势在于当其与Ni镀层反应时,焊缝中只会生成一种金属间化合物Ni3Sn4,这样就避免了过多的金属间化合物产生而影响到焊接接头的性能。
本发明为SiCp/Al复合材料在金属封装中的应用提供了一种简单且经济的工艺制度,封接后的金属外壳具有如下性能指标:
(1)外壳气密性:≤1×10-5Pa·cm3/S;
(2)盐雾:超过48h;
(3)温度循环:-65℃~+175℃,100次;
(4)热冲击:-65℃~+150℃,15次;
(5)剪切强度:26MPa;在150℃时效1000小时后仍能保持在20MPa以上。
附图说明
图1是Ni(P)/Ni(B)双镀层的SiCp/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊结构图;
图2SiCp/Al复合材料化学镀Ni(P)镀层表面形貌;
图3是复合材料化学镀Ni(B)镀层表面形貌;
图4焊接接头的微观结构。
具体实施方式
下面,再用实施例对本发明作进一步的说明。
(1)在SiCp/Al复合材料表面化学镀Ni(P)/Ni(B)的具体工艺流程可以如下表所示:
机械抛光→化学除油→去离子水洗→酸浸蚀→去离子水洗→敏化→去离子水洗→活化→去离子水洗→化学镀Ni(P)→化学镀Ni(B)。
其中各步的溶液配方及工艺条件如表1至表5所示,在成功化学镀Ni(P)合金以后,将外壳立即进行化学镀Ni(B)合金,其镀液配方及工艺参数如表6所示。图2为化学镀Ni(P)和Ni(B)后的镀层表面形貌。
表1化学除油配方(室温,30s)
表2酸浸蚀配方(室温,40s)
表3敏化液配方(室温,120s)
表4活化液配方(室温,120s)
表5化学镀Ni(P)镀液配方及工艺
表6化学镀Ni(B)镀液配方及工艺
(2)SiCp/Al复合材料外壳与盖板的焊接
将具有Ni(P)/Ni(B)双镀层结构的SiCp/Al复合材料放至真空炉中用Sn-Ag-Ni焊料进行钎焊。其中真空度为1×10-3Pa,焊接温度为280℃,焊接时间为6分钟。焊接接头的微观结构如图3所示,可以看出,焊缝组织中生成了Sn-Ni-B化合物和Ni3Sn4金属间化合物。
采用以上工艺封盖的SiCp/Al复合材料外壳均满足气密性、盐雾、温度循环和热冲击等试验要求。剪切强度为26MPa,在150℃时效1000小时后仍能保持在20MPa以上。
Claims (4)
1.一种铝碳化硅封装外壳的封接方法,其特征是工艺步骤如下:
(1)首先在SiCp/Al复合材料表面直接化学镀Ni(P)合金,其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为2%~12%,余量为Ni,Ni(P)镀层厚度为1.0~9.0μm;
(2)在镀Ni(P)合金后的表面化学镀Ni(B)合金,其中Ni(B)镀层的B质量百分含量为0.5%~4%,余量为Ni,其厚度为0.1~8.0μm;
(3)将Ni(P)/Ni(B)双镀层结构的SiCp/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊,SiCp/Al复合材料外壳与盖板焊接表面是Ni(P)/Ni(B)双镀层结中间是用Sn-Ag-Ni焊料;工艺焊接条件如下:真空度为1×10-3Pa,焊接温度为240~290℃,焊接时间为2~30分钟。
2.如权利要求1所述的一种铝碳化硅封装外壳的封接方法,其特征是在SiCp/Al复合材料表面直接化学镀Ni(P)合金,其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为4%~10%,Ni(P)镀层厚度为3.0~7.0μm。
3.如权利要求1所述的一种铝碳化硅封装外壳的封接方法,其特征是在镀Ni(P)合金后的表面化学镀Ni(B)合金,其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为1%~3%,其厚度为1.0~4.0μm。
4.如权利要求1所述的一种铝碳化硅封装外壳的封接方法,其特征是将Ni(P)/Ni(B)双镀层结构的SiCp/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊;焊接条件如下:真空度为1×10-3Pa,焊接温度为270~290℃,焊接时间为2~10分钟。
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