CN102489896A

CN102489896A - 钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带及其制备、钎焊

Info

Publication number: CN102489896A
Application number: CN2011104249679A
Authority: CN
Inventors: 崔大田; 王志法; 胡忠举; 刘文辉; 刘龙飞; 颜建辉
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology; Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-18
Filing date: 2011-12-18
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种用于金属基复合封装材料钎焊的中温钎料薄带及制备和钎焊方法。本发明采用Au、Ag、Ge和Cu四种合金原料按一定的质量百分比在中频感应真空炉中熔炼后，再在紫铜模中浇铸成母合金锭；再将制得的母合金锭在单辊甩带装置上制取钎料薄带；采用钯盐活化法在W-Cu、SiCp/Al复合材料表面进行化学镀Ni，镀层厚度为3~10μm；采用Au-Ag-Ge-Cu中温钎料薄带对化学镀Ni后的W-Cu、SiCp/Al复合材料和基座进行钎焊，钎焊温度范围为470~550℃，保护气氛为高纯氩气或流动氢气，钎焊时间2~10min。本发明的钎料薄带钎焊后，钎料与镀Ni层浸润性佳，铺展后表面质量良好，无明显残留物；钎焊接头组织均匀无明显缺陷。

Description

钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带及其制备、钎焊

技术领域

本发明属于微电子封装和金属基复合材料钎焊领域，具体涉及一种用于金属基复合封装材料钎焊的中温钎料薄带及制备和钎焊方法。

背景技术

随着集成电路封装密度的不断提高以及大功率化，对电子封装材料的要求也越来越苛刻。传统的电子封装材料如Invar、Kovar、W、Mo等由于其单一的性能已经不能满足封装行业日益发展的需要，这就使得低膨胀、低密度、高导热、合适强度和生产成本的新型电子封装材料的研制变得十分迫切，一般来说，单一材料难以满足上述性能的苛刻要求，而复合材料由于其性能的可调性，能够充分利用各种单一材料的优点，制备出综合性能优异的材料，从而满足微电子工业发展的需要。

传统的电子封装材料如Invar和Kovar，虽然其热膨胀系数(CTE)比较低，与芯片的膨胀系数相匹配，但是导热性能太差，不能够满足高密度封装技术对封装材料的要求。而高热导率的材料如Al和Cu，其热膨胀系数又太大，与Si和GaAs为基的芯片结合时会产生严重的热应力，导致芯片失效。电子封装复合材料的性能优于传统的电子封装材料。电子封装复合材料如SiC/Al、W-Cu、CF/C等既有低的热膨胀系数，又有高的热导率，并且更重要的是，电子封装复合材料的这些性能是可以调整的，这样就能够满足不同使用环境对封装材料的要求。为了进一步说明电子封装复合材料的优异性能，可以从最普通的金属外壳结构来加以阐述，结构中包括热沉、壳体、绝缘子、引线和盖板。假如该外壳结构全部采用Kovar合金来制作，其热膨胀性能与芯片相匹配，但是导热很差。若铝作为外壳，加工方便，成本低，并且有很好的导热性能，但是由于铝外壳的膨胀系数远大于芯片的热膨胀系数，从而在结合处产生很大的热应力，而这些热应力正是集成电路和基板产生脆性裂纹的一个普遍原因，另外封焊和安装较困难。传统材料的这些不足使复合材料，特别是金属基复合材料越来越受到人们的重视。

金属基复合材料(MMCs)是研究得最早，理论描述得最为完善的一类复合材料。金属基复合材料因其导热性好、有电磁屏蔽功能、制作简单、成本低、综合性能良好，而得到了最为广泛的应用。1992年4月在美国SunDiego举行TMS年会上对MMCs进行了广泛的讨论，并一致认为电子封装材料是MMCs未来发展的重要方向之一。金属基复合材料由金属基体和增强体二相组成，因此，它能充分发挥金属基体热传导率高和增强体热膨胀率低的特点，通过调整体系、成分和结构可以制备出能与不同热膨胀系数相匹配的复合材料，同时能满足封装材料的其它各项性能(如导热系数和密度等)的要求，因此它已成为一类理想的电子封装材料。常用于封装的金属基复合材料为铜基复合材料、铝基复合材料，主要有Al/SiCp，W-Cu，Mo-Cu，Cu/Al₂O₃等。

W-Cu复合材料是一种“假合金”，因结合了钨和铜的诸多优良特性(如钨的高熔点、低线膨胀系数和高强度，铜的良好导电和导热性能)，而具有良好的导热导电性、耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和耐高温抗氧化等特点。钨铜复合材料具有与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数及高的导热系数，并且膨胀系数及导热系数可以调节控制，即可通过组分分配比来改变其TC、CTE等参数，而且可以近净尺寸成形。基于上述优点，钨铜复合材料大规模地用做电子封装和热沉材料，同时在大规模集成电路和大功率微波器件中得到了广泛的应用。

高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料以其高导热率、低热膨胀系数(并在一定范围内可调)和低密度集一身的优异性能在电子封装中有着广泛的应用前景。特别是在电子芯片集成度越来越高、军用和航空航天芯片封装轻量化的今天，实现高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料在电子封装中的应用显得更为重要。传统的Kovar、W-Cu封装外壳典型的封装工艺遵循先高温后低温的顺序，即先在920～980℃将封装外壳和芯片外引线连接成组件，然后此组件与基座使用Ag-Cu钎料在830℃左右钎焊连接，之后在380～430℃之间用Au-Si共晶焊接法进行芯片的装片。芯片与外引线健合之后，在330℃左右利用Au-Sn钎料或者缝焊工艺进行封盖，完成盖板与封装壳体的钎焊连接。

当SiCp/Al复合材料代替Kovar合金和W-Cu复合材料作为封装的壳体材料时，在连接过程中由于Al基体的熔点为660℃，钎焊温度需低于铝基体的熔点660℃，但应高于芯片的装片温度，所以理想的铝基复合材料的封装焊接温度为450～550℃之间。另外，大多电子封装产品需要进行镀镍、镀金，然后才能服役，所以钎料应与Ni、Au有良好的浸润性；同时一些封装工艺要求钎料合金应加工成厚度小于0.2mm的薄带。然而目前在此温度范围内无合适钎料薄带成品，这严重阻碍了SiCp/Al复合材料在微电子封装领域的应用，因此亟需开发一种在此温度范围内的钎料合金薄带，以满足工业应用的要求。

发明内容

本发明的第一个目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种钎焊温度在470～550℃的钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带，以实现W-Cu、SiCp/Al等金属基复合封装外壳镀镍和镀金后与引线组件的连接，从而填补目前此温度范围缺乏成熟电子封装钎料的空白。

本发明的中温钎料薄带，其组成为：Au、Ag、Ge和Cu，其中，各组分的质量百分含量分别是：Au是61～75％，Ag是14～22％，Ge是11～14％，Cu是0～3％；其厚度小于0.2mm。

上述中温钎料薄带各组分的质量百分含量优选为：Au是63～71％，Ag是17～21％，Ge是11.5～13.5％，Cu是0～3％；中温钎料薄带的厚度范围优选为50～150μm，宽度范围优选为8～20mm。

本发明的第二个目的在于提供上述钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带的制备方法，它包括如下顺序的步骤：

(1)采用纯度即质量分数分别为99.99％的Au、99.99％的Ag、99.99％的Cu和单晶Ge，按一定的质量百分比在中频感应真空炉中熔炼后，再在紫铜模中浇铸成母合金锭；其中，各组分的质量百分含量分别是：Au是61～75％，Ag是14～22％，Ge是11～14％，Cu是0～3％；

(2)将步骤(1)制得的母合金锭在单辊甩带装置上制取钎料薄带，其制带工艺参数为：辊轮线速度为10～25m/s；石英管矩形喷嘴尺寸为宽0.2～0.5mm，长8～15mm，喷嘴至辊面的间隙为0.5～1mm；喷铸时氩气压力为0.06～0.08Mpa；真空度为10^-3Pa；

(3)最后，得到连续且厚度均匀的钎料薄带，其厚度小于0.2mm。

更进一步的优选方案是，步骤(1)中各组分的质量百分含量优选为：Au是63～71％，Ag是17～21％，Ge是11.5～13.5％，Cu是0～3％；调整步骤(2)的工艺参数可得到优选厚度范围为50～150μm、宽度范围为8～20mm的钎料薄带。

本发明的第三个目的在于提供上述钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带的钎焊方法，即钎焊W-Cu、SiCp/Al复合材料的钎焊方法，它包括如下过程：

采用钯盐活化法在W-Cu、SiCp/Al复合材料表面进行化学镀Ni，镀层厚度为3～10μm；采用Au-Ag-Ge-Cu中温钎料薄带对化学镀Ni后的W-Cu、SiCp/Al复合材料和基座进行钎焊，钎焊温度范围为470～550℃，保护气氛为高纯氩气或流动氢气，钎焊时间2～10min。

本发明是在传统的Au-Ge、Ag-Ge电子封装用钎料的基础上，通过相图计算分析及实验结论，调整三种组元的成分，形成钎焊温度在470～550℃的Au-Ag-Ge三元钎料合金。为了进一步优化钎料的组织和钎焊性能，向钎料中加入微量的Cu，其含量为0～3wt％。本发明的钎料薄带钎焊后对钎焊接头的分析结果表明，钎料与镀Ni层浸润性佳，铺展后表面质量良好，无明显残留物；钎焊接头组织均匀无明显缺陷。钎焊后的W-Cu、SiCp/Al金属基复合封装外壳的主要性能为：外壳气密性优于1×10^-9Pa·m³/S；热冲击：-55℃～+170℃，15次；抗剪强度：不低于75Mpa；温度循环：-55℃～+185℃，100次。因此，本发明的钎料薄带综合性能优异，填补目前钎焊温度在470～550℃的温度范围内缺乏成熟电子封装钎料的空白。

附图说明

图1是本发明钎料薄带与化学镀Ni后的W-Cu复合材料的钎焊界面组织图片。

图2是本发明钎料薄带与化学镀Ni后的SiCp/Al复合材料的钎焊界面组织图片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实验实施对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：

选择4组纯度即质量分数分别为99.99％的Au、99.99％的Ag、99.99％的Cu和单晶Ge的四种钎料合金原料，各组分的质量百分含量分别满足：Au是61～75％，Ag是14～22％，Ge是11～14％，Cu是0～3％；这4组钎料合金原料的具体成分和熔化特性如表1所示。将这4种钎料合金原料称量后置于高纯石墨坩埚中，在中频感应熔炼炉中真空熔炼，紫铜模浇铸后得到铸态钎料母合金。利用钎料合金粉末样品进行示差扫描量热分析，测量钎料合金的熔化特性。结果表明本发明的钎料合金的熔点范围为450～500℃，其相应的合理钎焊温度范围应为470～550℃。该钎焊温度既适用于传统的W-Cu封装外壳材料与基座的钎焊，也适用于新型SiCp/Al封装外壳材料与基座的钎焊。

表1Au-Ag-Ge-Cu中温钎料组分与质量百分含量

实施例2：

采用单辊甩带法将2号Au-Ag-Ge-Cu钎料母合金制备成薄带，单辊甩带工艺参数为：冷却辊选用铜铬合金，直径为400mm，辊轮线速度为20m/s；矩形石英管长度为8mm，喷嘴狭缝间隙为0.5mm；石英管喷嘴距离辊面的垂直距离为0.5mm；氩气加压装置喷射压力0.08MPa。所制备的钎料薄带为银白色，表面质量良好，薄带连续且厚度均匀。厚度为0.08mm，最小宽度11mm。

实施例3：

采用实施例2中所制备的Au-Ag-Ge-Cu钎料薄带对表面化学镀镍层厚度为5μm的W-Cu、SiCp/Al复合材料与基座进行钎焊，保护气氛为高纯氩气，焊接温度为520℃，焊接时间为3分钟。参见图1、图2，Au-Ag-Ge-Cu中温钎料薄带与镀镍W-Cu、SiCp/Al基体材料结合优良，焊缝完整且平直，组织均匀致密，无裂纹或空洞等缺陷。采用上述钎焊工艺的W-Cu、SiCp/Al封装外壳气密性优于1×10^-9Pa·m³/S，抗剪强度高于75Mpa，同时满足温度循环及热冲击等试验要求。

Claims

1.一种钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带，其特征在于组成为：Au、Ag、Ge和Cu，其中，各组分的质量百分含量分别是：Au是61~75%，Ag是14~22%，Ge是11~14%，Cu是0~3%；其厚度小于0.2mm。

2.根据权利要求1所述的钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带，其特征在于：所述中温钎料薄带各组分的质量百分含量优选为：Au是63~71%，Ag是17~21%，Ge是11.5~13.5%，Cu是0~3%；中温钎料薄带的厚度范围优选为50~150μm，宽度范围优选为8~20mm。

3.一种如权利要求1所述钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带的制备方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：

（1）采用纯度即质量分数分别为99.99%的Au、99.99%的Ag、99.99%的Cu和单晶Ge，按一定的质量百分比在中频感应真空炉中熔炼后，再在紫铜模中浇铸成母合金锭；其中，各组分的质量百分含量分别是：Au是61~75%，Ag是14~22%，Ge是11~14%，Cu是0~3%；

（2）将步骤（1）制得的母合金锭在单辊甩带装置上制取钎料薄带，其制带工艺参数为：辊轮线速度为10~25m/s；石英管矩形喷嘴尺寸为宽0.2~0.5mm，长8~15mm，喷嘴至辊面的间隙为0.5~1mm；喷铸时氩气压力为0.06~0.08Mpa；真空度为10^-3Pa；

（3）最后，得到连续且厚度均匀的钎料薄带，其厚度小于0.2mm。

4.根据权利要求3所述的钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带的制备方法，其特征在于：步骤（1）中各组分的质量百分含量优选为：Au是63~71%，Ag是17~21%，Ge是11.5~13.5%，Cu是0~3%；调整步骤（2）的工艺参数可得到优选厚度范围为50~150μm、宽度范围为8~20mm的钎料薄带。

5.一种如权利要求1所述钎焊金属基复合封装材料的中温钎料薄带的钎焊方法，即钎焊W-Cu、SiCp/Al复合材料的钎焊方法，其特征在于包括如下过程：

采用钯盐活化法在W-Cu、SiCp/Al复合材料表面进行化学镀Ni，镀层厚度为3~10μm；采用Au-Ag-Ge-Cu中温钎料薄带对化学镀Ni后的W-Cu、SiCp/Al复合材料和基座进行钎焊，钎焊温度范围为470~550℃，保护气氛为高纯氩气或流动氢气，钎焊时间2~10min。