CN101972901B - 一种钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料及制备和钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子封装领域，提供一种钎焊温度在450～510℃之间，用于连接SiC_p/Al复合材料与可伐合金的钎料及其钎焊方法。本发明开发了一种钎焊温度在450～510℃之间的中温钎料，该中温钎料组分的质量百分含量为：Ag：30～50；Cu：5～15；Sn：35～60；Ni：0～3；用该钎料钎焊化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料与可伐合金，钎焊后外壳气密性优于1×10^-9Pa·m³/S，剪切强度高于65Mpa，满足国军标要求。特点在于将SiC_p/Al复合材料在高于芯片的装片温度(430℃)，而低于SiC_p/Al复合材料本身熔点的温度下进行钎焊。这保证了后续的芯片装片工艺能使用Au-Si共晶法(380～430℃)，进而保证封装的整体散热效果。SiC_p/Al复合材料外壳主要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、多芯片组件和大功率器件的封装外壳。

Description

一种钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料及制备和钎焊方法

技术领域

本发明属于金属封装外壳和材料钎焊连接领域。铝碳化硅(SiC_p/Al)复合材料具有高导热、低密度和与芯片相匹配的热膨胀系数，使其成为一种理想的封装材料，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、多芯片组件和大功率器件等封装外壳。

背景技术

随着信息技术的高速发展，电子器件中的芯片集成度越来越高，功率越来越大，对封装材料的散热要求也越来越高，同时对微电子封装的相关工艺也提出了更高的要求。传统的金属封装外壳材料可伐合金(Kovar)虽然具有合适的热膨胀系数(CTE)，能与硼硅硬玻璃等匹配封接，且具有良好的焊接性、加工性，但其热导率低，电阻率高，密度也较大，使其应用受到了很大限制。高体积分数SiC_p/Al复合材料由于具有热导率高(160～220W·m^-1·K^-1)、密度低(小于3.0g·cm^-3)、比强度和比刚度高等优点成为新一代电子封装材料。

20世纪90年代以来，高体积分数SiC_p/Al复合材料作为新一代电子封装和热控材料在一系列世人瞩目的先进航空器上逐步获得了应用。SiC_p/Al电子封装复合材料取代目前普遍使用的可伐合金，不仅使器件的热耗散能力大幅度提高，从而显著降低芯片温度，使电子元器件的寿命和可靠性大大提高，同时还可减重超过60％，因此，高性能SiC_p/Al电子封装材料大量应用于商用和航空航天用微电子器件、光电子器件等的封装不仅对航空航天技术的发展具有重要的推动作用，还将产生巨大的经济效益和社会效益，应用前景十分广阔。

众所周知，电子元器件等在组装时的各类焊接、粘接或固化过程必须遵循先高温后低温顺序。传统Kovar外壳的典型封装工艺为：首先在920～980℃将可伐合金封装外壳和芯片外引线通过绝缘的熔封玻璃连接成组件，然后此组件与可伐底板通过Ag-Cu共晶钎料在830℃左右钎焊连接。随后，芯片将通过Au-Si共晶法在380～430℃下对芯片进行装片。最后，在完成芯片与外引线的键合后，采用平行缝焊或Au-Sn钎料在330℃左右温度下进行封盖工艺，实现可伐盖板与封装壳体的钎焊连接。

随着电子器件中芯片功率的不断增大，芯片的温度也随之升高，因此提高封装材料的导热率是解决芯片散热的主要途径。虽然SiC_p/Al复合材料作为封装外壳可以解决芯片的散热问题，然而目前的封装工艺难以实现。因为当SiC_p/Al复合材料用作封装的外壳时，无法在920～980℃范围内与玻璃绝缘子直接进行熔封，只能在SiC_p/Al复合材料外壳边框处焊接可伐-玻璃绝缘子组件。原因是SiC_p/Al复合材料的使用温度一般不超过550℃，因此它不能与普通熔封玻璃在980℃左右进行熔封，只能先制备可伐环-玻璃-可伐引线组件，然后在低于550℃温度范围内通过钎焊将SiC_p/Al外壳与可伐引线组件连接。然而目前国内外尚无成熟的中温钎料。如果采用钎焊温度为330℃左右的Au-Sn钎料实现封装外壳与引线组件的连接，则后续的芯片装片只能采用导电胶粘接工艺，而这种粘接工艺将导致芯片与封装底座间的界面热阻很大(热导率仅为0.5～2.5W/mK)，无法实现芯片的快速散热。

因此，为发挥SiC_p/Al复合材料的高导热特性，SiC_p/Al封装材料的封装工艺必须得到相应改变。首先，应在高于芯片的装片温度而低于SiC_p/Al的使用温度范围内通过钎焊将SiC_p/Al外壳与可伐引线组件连接。其次，采用Au-Si共晶法380～430℃范围内将芯片安装在底板上，这类钎料的热导率可达到50～70W/mK，从而大大降低热沉材料之间的界面热阻，显著改善封装的散热性能。即只有实现SiC_p/Al外壳与可伐引线组件(或SiC_p/Al底座与可伐外壳)的中温钎焊，才能较好发挥SiC_p/Al的高导热作用。考虑到实际工艺操作的可行性，SiC_p/Al复合材料与可伐引线组件应在450～510℃范围内钎焊，这样既不会影响SiC_p/Al复合材料本身的性能，也保证了后续的芯片装片工艺的进行，从而保证了封装的良好散热。当完成对SiC_p/Al外壳与引线组件钎焊，芯片装片和引线键合之后，可采用Au-Sn钎料对外壳壳体与盖板在330℃左右进行封盖，从而完成整个封装工艺。以上分析表明，SiC_p/Al复合材料用于封装外壳与传统工艺最大的不同在于需要一种钎焊温度在450～510℃的中温钎料实现SiC_p/Al外壳与可伐引线组件的连接。由于目前在此温度区间内无成熟钎料，SiC_p/Al复合材料作为封装材料受到极大限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钎焊温度在450～510℃的中温钎料以实现SiC_p/Al外壳与可伐引线组件的连接。解决目前为电子封装领域无此温度范围钎料的问题，同时解决SiC_p/Al复合材料用于封装壳体材料时的钎焊连接问题。该钎料也可用于Diamond/Al和C_f/Al等铝基复合材料的中温钎焊连接。

本发明是在传统的Ag-Cu共晶钎料的基础上，加入低熔点的Sn元素，并适当调整三种组元的成分，形成Ag-Cu-Sn三元钎料合金，使其钎焊温度在450～510℃，且钎料具有较窄的熔化温度区间。

为了进一步细化钎料的晶粒，提高钎料的柔韧性，并增加钎料与镀Ni基体的润湿能力，向钎料种加入微量的Ni，其含量为0～3wt.％。

一种钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料，中温钎料各组分的质量百分含量为：Ag：30～50；Cu：5～15；Sn：35～60；Ni：0～3。

上述组分的优选范围为：Ag：35～45；Cu：8～13；Sn：45～55；Ni：0～3。

Sn在固态Ag和固态Cu中的溶解度不大，室温时，Ag能溶解12.5％Sn，Cu能溶解13.9％Sn，往Ag-Cu合金中添加Sn会降低其熔点，但随着Sn量的增加，钎料合金内部会生成大量Cu₃Sn、Cu₆Sn₅和Ag₃Sn等金属间化合物，这些脆性的金属间化合物使钎料加工性能变坏，不能采用常规的办法制备钎料片或薄带，所以本发明采用单辊法快速凝固工艺制备该系钎料。

本发明的钎料的制备过程为：首先将纯度均为99.99％的四种组元金属在高频电磁感应炉内熔炼，空冷后得到铸态钎料。然后采用快速凝固法制备成钎料薄带，具体参数为：真空度10^-3Pa；辊轮线速度10～20m/s；喷嘴至辊面的间距为0.5～1mm；喷嘴的缝隙宽0.3～0.5mm，长8～10mm，喷铸时石英管内的氩气压力为40～50kPa；喷铸时熔融液态合金温度为480～500℃。制得的薄带厚度在100～200μm，宽度为5～15mm。

采用制备的Ag-Cu-Sn-Ni钎料薄带钎焊化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料与可伐合金，图1是该系中温钎料钎焊化学镀Ni(P)后SiC_p/Al复合材料和可伐合金的接头示意图。

本发明的SiC_p/Al复合材料与可伐合金的钎焊工艺过程如下：

(1)采用Pd盐活化法在SiC_p/Al复合材料表面进行化学镀Ni，镀Ni层厚度为2-10μm，图2为化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料截面形貌。

(2)采用Ag-Cu-Sn-Ni钎料对镀Ni后的SiC_p/Al复合材料和可伐合金进行钎焊。所用钎剂为Rosin Mildly-activated-type Flux(RMA钎剂，即中等活性松香钎剂)，钎焊温度范围为450～510℃，保护气氛为工业普氮、高纯N₂或高纯Ar，钎焊时间为2～6分钟。

本发明开发了一种钎焊温度在450～510℃的Ag-Cu-Sn-Ni系钎料(ACSN系钎料)，并将其用于钎焊化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料与可伐合金。该钎料也可用于钎焊Diamond/Al、C_f/Al等其它铝基复合材料。

钎焊后对钎焊接头进行分析，钎焊接头组织均匀且无缺陷。钎焊后的SiC_p/Al复合材料外壳具有如下性能，完全满足国军标要求。

(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：65MPa。

附图说明

图1为化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料截面形貌。

图2为ACSN系钎料钎焊SiC_p/Al复合材料的接头示意图。

图3为ACSN钎料钎焊SiC_p/Al复合材料与可伐合金接头照片。

具体实施方式

实施例1

选择5组上述钎料成分范围的钎料合金，其具体成分和熔化特性如表1所示。将这5种钎料金属在高频电磁感应炉真空熔炼后，得到铸态的钎料合金。采用差热分析方法，对钎料的熔化特性进行测量，该系列钎料的熔点范围在420～480℃之间，其相应的钎焊温度位于450～510℃内。该钎焊温度对SiC_p/Al复合材料用于封装外壳材料而言，既高于芯片的装片温度范围(380～430℃)，又不影响SiC_p/Al复合材料本身的机械性能，是理想的钎焊温度范围。

表1Ag-Cu-Sn-Ni系中温钎料具体成分

实施例2

采用2号钎料钎焊SiC_p/Al复合材料和可伐合金。由于SiC_p/Al复合材料表面可能存在SiC颗粒，这对复合材料的钎焊是一个很大的障碍，这种非金属颗粒会影响钎料与基体的润湿，进而影响钎焊接头的性能。为了提高钎料与基体的润湿性，需要在SiC_p/Al复合材料表面化学镀Ni，镀Ni层厚度一般在3～8μm。在SiC_p/Al复合材料表面化学镀Ni的具体工艺流程可以如下所示：

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)。

其中化学除油溶液的成分及含量为：磷酸三钠20g/L，氢氧化钠5g/L，碳酸钠10g/L。将SiC_p/Al复合材料在室温下浸入溶液中30秒，然后取出用去离子水冲洗干净。酸浸蚀溶液的成分及含量为含有10％硝酸和10％氢氟酸的水溶液，将SiC_p/Al复合材料在室温下浸入溶液中40秒，然后取出用去离子水冲洗干净。敏化液的成分及含量为氯化亚锡10g/L，盐酸20ml/L。将SiC_p/Al复合材料在室温下浸入敏化液中120秒，然后取出用去离子水冲洗干净。活化液的成分及含量为氯化钯0.25g/L，盐酸10ml/L。将SiC_p/Al复合材料在室温下浸入活化液中120秒，然后取出用去离子水冲洗干净。经过上述各步的预处理后，可将SiC_p/Al复合材料放入化学镀液中进行化学镀。化学镀液的成分和化学镀的条件如表2所示。

表2化学镀Ni镀液成分及工艺参数

采用快速凝固法将2号Ag-Cu-Sn-Ni铸态钎料制备成钎料薄带，钎焊具有Ni(P)镀层的SiC_p/Al复合材料与可伐合金，高纯Ar气保护，焊接温度为480℃，焊接时间为4分钟。由图3可以看出，Ag-Cu-Sn-Ni焊料与两种镀Ni基体材料结合良好，焊缝组织均匀致密，无裂纹和孔洞等缺陷。采用以上焊接工艺的SiC_p/Al复合材料外壳满足气密性、盐雾、温度循环和热冲击等试验要求。气密性优于1×10^-9Pa·m³/S，剪切强度高于65Mpa，满足国军标要求。

Claims (3)

1.一种钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料的制备方法，其特征在于：该中温钎料组分的质量百分含量为：Ag：30～50；Cu：5～15；Sn：35～60；Ni：0～3；中温钎料的熔点范围在420～480℃之间，其相应的钎焊温度位于450～510℃之间；能够钎焊化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料和化学镀Ni后的可伐合金，钎焊后外壳的气密性优于1×10^-9Pa·m³/S；制备方法是：首先采用高频电磁感应炉熔化组元金属，得到铸态钎料合金；然后单辊法快速凝固工艺制备成钎料薄带，其具体的工艺参数为：真空度10^-3Pa；辊轮线速度10～20m/s；喷嘴至辊面的间距为0.5～1mm；喷嘴的缝隙宽0.3～0.5mm，长8～10mm，喷铸时石英管内的氩气压力为40～50kPa；喷铸时熔融液态合金温度为480～500℃。

2.根据权利要求1所述的一种钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料的制备方法，其特征在于：中温钎料组分的质量百分含量为：Ag：35～45；Cu：8～13；Sn：45～55；Ni：0～3。

3.一种采用如权利要求1或2所述的钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料的制备方法，该钎料的钎焊方法，其特征在于：采用Ag-Cu-Sn-Ni钎料薄带钎焊化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料和化学镀Ni后的可伐合金，所用钎剂为RMA钎剂，钎焊温度范围为450～510℃，保护气氛为工业普氮、高纯N₂或高纯Ar，钎焊时间为2～6分钟。

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