CN106001980A - 一种电力电子模块封装用高温无铅焊片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电力电子模块封装用的高温无铅焊片，由Cu、Sn、微量稀土元素和助焊粘合剂组成；所述铜粉、锡粉、微量稀土元素及助焊剂的质量百分比为：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)。制备所述高温无铅焊片的方法如下为：(1)将铜粉、锡粉、微量稀土元素按如下质量百分比配制：(35～38)％：(58～60)％：(0.1～0.25)％；(2)将所配制的铜粉、锡粉和微量稀土元素置于混料机中，在200～400r/min速率下，机械混合10～20h，得到均匀混合粉末；(3)在制得的均匀混合粉末中添加质量百分比为3.9％～4.75％的助焊剂，然后以200～400r/min的速率机械混合2h，得到聚合粉体；(4)将聚合粉体在高压压片机上压力成型，压片机压力范围为10～40MPa，得到厚度为100～150μm的Cu‑Sn复合预成型焊片。

Description

一种电力电子模块封装用高温无铅焊片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温无铅焊片及其制备方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，功率器件的工作环境温度越来越高，需要研发一系列环境友好的、性能可靠的高温焊接材料以适应电力电子工业的发展。同时为了应对日益增长的高温电子元器件需求，新一代半导体如SiC、GaN和包装材料AlN、Si3N4已被广泛应用，但作为关键技术之一的电子封装用低成本、高性能的高温无铅焊料的开发却进展缓慢。

目前市场上可提供的高温焊料有：铅锡焊料、金锡焊料、金锗焊料、铋银焊料、锌铝焊料、锡锌焊料和锡锑焊料。在这些焊料中焊缝能耐300℃高温而不熔化失效的焊料有Sn–95wt.％Pb、Sn–98wt.％Pb、Au–0.28at.％Ge、Zn–6wt.％Al和Zn–4wt.％Al–3wt.％Mg–3.2wt.％Ga。但是铅污染环境、金为贵金属、锌铝焊料不耐腐蚀且界面润湿性能差，它们的使用均受到了很大限制。因此环保、低成本、焊缝剪切强度高且使用温度在300℃以上的焊料是市场急需产品。然而目前市场上并不能提供该类产品。环保、低成本、高温工作环境下焊缝高可靠性是电子封装用高温焊料的发展方向，也是各国努力研发的关键技术。

高压烧结微米级银颗粒及纳米银焊膏和三明治结构焊片(高温金属表面镀低熔点金属)的低温瞬态液相扩散焊接技术(LT-TLPB)，因其可实现在低温操作工艺下制备耐高温焊接接头而被广泛研究。高压烧结微米银颗粒及低温烧结纳米银焊膏技术都存在Ag在介电材料中电迁移的潜在风险，同时因其成本高，工艺流程长、和现行焊接工艺不兼容等缺点阻碍了该技术的规模化产业布局。而利用三明治结构的LT-TLPB技术制备耐高温接头，对镀层纯度、设备及焊接条件有极苛刻的要求，同时存在镀层尺寸限制等挑战。近年来，另一种利用高熔点和低熔点金属粉末直接混合做成焊膏的LT-TLPB焊接技术引起了人们的高度关注。该技术主要是针对Sn-Cu系列或Sn-Ag系列形成的Cu6Sn5与Cu3Sn或Ag3Sn耐高温金属间化合物。这类焊膏在恒温扩散反应过程中会发生反应生成金属间化合物而形成焊接接头。中国专利CN100475996C公开了一种高温无铅焊料用组合物、生产方法及元件，该无铅高温焊料包含一种含银2wt％-18wt％、含铋98wt％-82wt％的银铋合金，具有固相线不低于262.5℃、液相线不高于400℃，但是，该无铅焊料用组合物强度和塑性较低，此焊料用普通助焊膏做成的锡膏在抗坍塌能力较差，锡珠较多等不良，不利于该无铅焊料用组合物的工业化生产和推广。CN 104476007A公开了一种高熔点无铅无卤焊锡膏及其制备方法，该焊锡膏焊料合金具有固相线温度高于260℃以上，具有强度高，塑性高，抗疲劳特性强的优点，助焊膏具有优良的防坍塌功能该技术是一种非常具有实用前景的可与传统焊膏工艺相兼容的高温；中国专利CN101234456A公开了一种锡银金无铅焊接材料及其制备方法，其熔化温度可达到300℃，润湿性和电学性能优良，焊接效果良好，可代替传统的Sn-95％Pb焊料合金。其组成为银8～13％、金35～45％，其余为锡。贵金属用量大，成本高，焊接温度高；中国专利CN104588906A公开了一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法，该焊膏焊接的样品使用温度可高达400℃，焊缝剪切强度高，性能稳定，但该技术仍然沿用的是焊膏技术，需要采用容易产生污染的丝网印刷技术。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，致力于研发环保、低成本的高温焊料，本发明提出一种高温无铅焊片及其制备方法。该种焊片成型体积密度为4380～6570kg/m³，厚度为100～150μm，焊接温度240-270℃，保温时间3～6h。焊接后本体相抗拉伸强度>65MPa，焊接后焊件的使用温度高达400℃。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高温无铅焊片，由锡粉、铜粉、微量稀土元素及助焊粘合剂组成。所述铜粉、锡粉、微量稀土元素及助焊剂的质量百分比为：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)；所述微量稀土元素为镧、铈或两者的混合物；所用助焊剂为市售MT-10液体松香助焊剂。

为使焊片成分组织均匀并易于压制成型，要求金属粉末在球磨混合及压片过程达到原子级接触但不发生化学反应，所述锡粉、铜粉均为球形或近球形。为增加焊接过程反应表面积，以便于粒子间的充分反应，所述锡粉、铜粉采用亚微米级粒子，粒度为：锡粉2-7μm，铜粉0.1-1μm。

所述的高温无铅焊片的制备方法包括如下步骤：

(1)将铜粉、锡粉、微量稀土元素按如下质量百分比配制：(35～38)％：(58～60)％：(0.1～0.25)％；

(2)将步骤(1)配制的铜粉、锡粉和微量稀土元素等物料置于混料机中，在200～400r/min速率下，机械混合10～20h，得到均匀混合粉末；

(3)在经步骤(2)制得的均匀混合粉末中添加质量百分比为3.9％～4.75％的助焊剂，然后以200～400r/min的速率机械混合2h，得到具有一定粘结力的聚合粉体。

所述锡粉、铜粉均为球形或近球形；锡粉的粒度为2-7μm、铜粉的粒度为0.1-2μm；优选的，锡粉粒度为2-3μm，铜粉粒度为0.1-0.5μm；

所述助焊剂的粘度范围为2～4Pa·s。

(4)将步骤(3)制备的具有一定粘度的聚合粉体在高压压片机上压力成型，压片机压力范围为10～40MPa，得到厚度为100～150μm的Cu-Sn复合预成型焊片；

对所述的复合预成型焊片进行低温液相扩散烧结，利用Sn的低熔点，使得焊片本体相在较低的烧结工艺温度下，利用Cu与Sn的液固反应转化为耐高温的Cu6Sn5/Cu3Sn复合相。

烧结时，将该焊片放置在陶瓷基板上，在真空或惰性气体气氛中，于240℃～270℃下热处理3～6h，随炉冷却，烧结结束后，焊片本体相经XRD分析，测得的物相成分为Cu6Sn5与Cu3Sn的混合相；经拉伸试验机测试，得到焊片本体的拉伸强度>65MPa；

所述焊片烧结后，焊件的主要物相为Cu6Sn5/Cu3Sn，Cu3Sn的熔点为415℃，Cu6Sn5的熔点为676℃，因此，利用该焊片焊接后的焊件使用温度可高达400℃以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)用本发明的高温无铅焊片焊接金属材料时，焊接过程中有液相金属Sn产生，焊接结束时液相金属消失，并产生金属间化合物。普通焊接时金属间化合物主要为疏密有致的Cu6Sn5/Cu3Sn界面层；Cu6Sn5和Cu3Sn熔点分别为415℃和676℃，从而保证该合金材料在400℃不会融化。

2)本发明焊片的焊接温度为240-270℃，采用本焊片焊接焊件后，焊缝在工作温度低于400℃时不会熔化失效，焊缝可经受高达400℃的高温工作环境。

3)本发明的高温焊片实现了焊料合金化与焊接过程的统一，且为无铅锡基焊片，环保、成本低、耐腐蚀、界面润湿性能好。

4)本高温焊片的制备方法，采用的是金属粉末直接混合的方式，不需要金属熔融成合金再雾化的方式，不仅使得制备方法简单，而且有助于降低焊接温度，当焊片达到锡熔解的温度即可焊接。

5)本高温焊片采用直径为0.1-1μm的球形或近球形铜粉，其目的是小颗粒的球形或近球形铜粉在反应中的表面积较大，能够与融化的锡在高温下反应更充分。

6)本高温焊片采用的助焊剂的粘度为2～4Pa·s，其目的是将金属粒子通过相互作用紧密结合在一起，从而使Cu-Sn复合焊片易于成型，并且在焊接过程使铜锡反应更充分。

7)本复合焊片特别适用于电力电子领域耐高温电子元器件。

附图说明

图1铜锡合金相图；

图2本发明制备方法原理图；

图3高温无铅焊片焊接后本体相金相组织；

图4焊接本体相的XRD物相分析曲线，其中，图4a，图4b，图4c，图4d，图4e和图4f分别为实施例1、2、3、4、5和6的XRD物相分析曲线。

具体实施方式

高温焊片的制备原理如图2所示，首先按照Cu-Sn两元相图(如图1所示)中Cu与Sn生成耐高温Cu6Sn5相的比例配置原料，并放置于高速球磨机上混合均匀；然后在高压下压力成型；最后把预成型焊片于烧结炉中低温烧结，使低温的Sn熔化，发生Cu-Sn固液扩散反应；保温一段时间后完全生成耐高温的Cu6Sn5/Cu3Sn复合相，烧结后无铅焊片的金相组织如图3所示。

实施例1

称量粒度为0.1μm的铜粉、粒度为2μm的锡粉和稀土，铜粉、锡粉和稀土的质量百分比为35：60：0.25，置于高速球磨机中，在300r/min速率下机械混合10h，得到均匀混合复合粉末；然后在复合粉末中加入含量为1％、粘度为2Pa.s松香型助焊剂，在200r/min速率下机械球磨2h，得到有一定粘结力的聚合粉体。

称取上述聚合粉体0.13g，在压力为10MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间10min，得到厚度为149μm的焊片；

将上述制得的焊片在270℃下于真空焊接炉中烧结，低温的Sn先熔化，发生Cu-Sn间的液固扩散反应，并保温3h，使固液相完全转化为耐高温的Cu6Sn5/Cu3Sn复合相，取出焊片，经XRD物相成分检测可知，焊片中部分形成了Cu6Sn5和Cu3Sn相，如图4a所示。

实施例2

将质量百分数为37％、粒度为0.5μm的铜粉，质量百分数59％、粒度为3μm的锡粉及质量百分数为0.15％的微量稀土置于高能球磨机中，在300r/min速率下机械混合14h，得到均匀混合的复合粉末；在复合粉末中加入含量为3％、粘度为3Pa.s松香型助焊剂，通过高速球磨机在300r/min速率下机械球磨18h，得到有一定粘结力的聚合粉体。

称取上述聚合粉体0.10g，在压力为20MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间10min，得到厚度为130μm的焊片；

将上述制得的焊片在270℃下于真空焊接炉中低温液相扩散烧结，并保温6h，随炉冷却。取出焊片，经XRD物相成分检测可知，如图4b所示，焊片中形成了Cu3Sn及CuSn相及少量的Cu6Sn5相。

实施例3

将质量百分数为38％、粒度为0.3μm的铜粉，质量百分数为58％、粒度为3μm的锡粉，以及质量百分数为0.15％的微量稀土置于高能球磨机中，在400r/min速率下机械混合18h，得到均匀混合的复合粉末；在复合粉末中加入含量为5％、粘度为4Pa.s松香型助焊剂，通过高能球磨机在500r/min速率下，机械球磨3h，得到有一定粘结力的聚合粉体。

称取上述聚合粉体0.11g，在压力为40MPa的压力机上高压压片，恒压时间10min，得到厚度为110μm的焊片；

将上述制得的焊片在240℃下于真空焊接炉中低温液相扩散烧结，并保温3h，随炉冷却。取出焊片，经XRD物相成分检测可知，焊片中形成Cu6Sn5和Cu3Sn相，如图4c所示。

实施例4

将质量百分数为38％、粒度为0.8μm的铜粉，质量百分数为58％、粒度为3μm的锡粉，以及质量百分数为0.15％的微量稀土置于高速球磨机中，在200r/min速率下机械混合20h，得到均匀混合的复合粉末；在复合粉末中加入含量为4％、粘度为3Pa.s松香型助焊剂，通过高速球磨机在200r/min速率下，机械球磨4h，得到有一定粘结力的聚合粉体。

称取上述聚合粉体0.115g，在压力为30MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间10min，得到厚度为105μm的焊片；

将上述制得的焊片在240℃下于真空焊接炉中低温液相扩散烧结，并保温4h，随炉冷却。取出焊片，经XRD物相成分检测可知，如图4d所示，焊片中形成Cu6Sn5与Cu3Sn相。

实施例5

将质量百分数为38％、粒度为0.2μm的铜粉、质量百分数为58％、粒度为2μm的锡粉及质量百分数为0.15％的微量稀土通过高能球磨机在400r/min速率下，机械混合12h，得到均匀混合的复合粉末；在复合粉末中加入含量为5％、粘度为3Pa.s松香型助焊剂，通过高能球磨机在400r/min速率下，机械球磨5h，得到有一定粘结力的聚合粉体。称取上述聚合粉体0.1190g，在压力为15MPa的压力机上进行压压片，恒压时间10min，得到厚度为110μm的焊片；

将上述制得的焊片在250℃下于真空焊接炉中低温液相扩散烧结，并保温5h，随炉冷却。取出焊片，经XRD物相成分检测知，如图4e，焊片中有大部分的Cu6Sn5相和少部分的Cu3Sn相生成。

实施例6

将质量百分数为38％、粒度为1.0μm的铜粉、质量百分数为58％、粒度为6μm的锡粉及质量百分数为0.15％的微量稀土置于高能球磨机中，在300r/min速率下机械混合14h，得到均匀混合的复合粉末；在复合粉末中加入含量为0.5％、粘度为4Pa.s松香型助焊剂，通过高能球磨机在300r/min速率下机械球磨2h，得到有一定粘结力的聚合粉体。

称取上述聚合粉体0.115g，在压力为30MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间10min，得到厚度为102μm的焊片；

将上述制得的焊片在250℃下于真空焊接炉中低温液相扩散烧结，并保温6h，随炉冷却。取出焊片，经XRD物相成分检测可知，焊片中的物相为Cu6Sn5及Cu3Sn，如图4f所示。

Claims (4)

1.一种电力电子模块封装用高温无铅焊片，其特征在于，所述的高温无铅焊片由Cu、Sn、微量稀土元素和助焊粘合剂组成；所述铜粉、锡粉、微量稀土元素及助焊剂的质量百分比为：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)；利用该焊片焊接后的焊件使用温度能够达到400℃以上。

2.按照权利要求1所述的高温无铅焊片，其特征在于，所述微量稀土元素为镧、铈或两者的混合物；所用助焊剂为市售MT-10液体松香助焊剂。

3.权利要求1所述高温无铅焊片的制备方法，其特征在于，所述的制备方法步骤如下：

(1)将铜粉、锡粉、微量稀土元素按如下质量百分比配制：(35～38)％：(58～60)％：(0.1～0.25)％；

(2)将步骤(1)配制的铜粉、锡粉和微量稀土元素置于混料机中，在200～400r/min速率下，机械混合10～20h，得到均匀混合粉末；

(3)在经步骤(2)制得的均匀混合粉末中添加质量百分比为3.9％～4.75％的助焊剂，然后以＝200～400r/min的速率机械混合2h，得到聚合粉体；

(4)将步骤(3)制备的聚合粉体在高压压片机上压力成型，压片机压力范围为10～40MPa，得到厚度为100～150μm的Cu-Sn复合预成型焊片。

4.按照权利要求3所述的高温无铅焊片的制备方法，其特征在于，所述的锡粉、铜粉均为球形或近球形；锡粉的粒度为2-7μm、铜粉的粒度为0.1-2μm；优选的，锡粉粒度为2-3μm，铜粉粒度为0.1-0.5μm；所述助焊剂的粘度范围为2～4Pa·s。