CN101293294B - 一种铝碳化硅封装外壳的封接方法 - Google Patents

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(SiC_p/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SiC_p/Al复合材料表面进行双层镀覆；再将具有表面镀层的SiC_p/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SiC_p/Al复合材料封接困难问题，为有关金属外壳厂广泛使用SiC_p/Al复合材料作为外壳和盖板材料铺平道路。

Description

一种铝碳化硅封装外壳的封接方法

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(SiC_p/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SiC_p/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SiC_p/Al复合材料真正用于金属外壳上，主要是因为缺乏适用于SiC_p/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SiC_p/Al复合材料封接困难问题，为有关金属外壳厂广泛使用SiC_p/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SiC_p/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SiC_p/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊，SiC_p/Al复合材料外壳与盖板焊接表面是Ni(P)/Ni(B)双镀层结构，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SiC_p/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(B)镀层的B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SiC_p/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SiC_p/A1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SiC_p/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SiC_p/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SiC_p/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊结构图；

图2SiC_p/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SiC_p/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)SiC_p/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SiC_p/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l×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SiC_p/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SiC_p/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SiC_p/Al复合材料用Sn-Ag-Ni焊料钎焊，SiC_p/Al复合材料外壳与盖板焊接表面是Ni-P/Ni-B双镀层结构，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，其特征是其中Ni-B镀层的B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，其特征是焊接温度为270～290℃，焊接时间为2～10分钟。

Images