CN106312361A - 陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏及其生产工艺 - Google Patents

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康佳睿
付伟
牛超楠
刘多
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Abstract

本发明涉及电子封装领域，特别是一种用于功率模块的中陶瓷基板与覆铜箔片连接的焊膏及其生产工艺。所述焊膏由钎料粉末和助焊剂组成，钎料为锡银铜钛粉末，所述锡银铜钛粉末中Sn的质量分数为35%‑50%，Ag的质量分数为15%‑35%，Cu的质量分数为20%‑40%，Ti的质量分数为4%‑8%。所述助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：松香24%‑35%，溶剂45%‑50%，缓蚀剂2%‑6%，活性剂8%，触变剂6%，增稠剂4%‑15%。本发明陶瓷基板与铜的连接，可以简化工艺，并显著降低连接温度，从而降低热应力和界面空洞率，提高接头质量。

Description

陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏及其生产工艺
技术领域
本发明涉及电子封装领域，特别涉及一种陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏及其生产工艺。
背景技术
陶瓷具有散热性佳、耐潮湿，耐高温等优点，广泛应用于大功率电子模块中，如GTG、IG-BT、大功率DC/DC电源模块、固态继电器、半导体致冷堆等。在目前的陶瓷基板覆铜方法中，主流技术是直接覆铜法(DBC)。这种技术可用于氧化铝基板或经氧化处理的氮化铝基板，陶瓷基板与铜箔加热到1063℃左右时，Cu和O会形成共晶液相CuO, 这种Cu-O共晶会润湿相互接触的氧化铝基板与铜箔，并生成Cu(AlO2)2, CuAlO2等复合氧化物，将二者连接起来。DBC技术对表面质量的要求较高，对于氮化铝基板还需在覆铜前进行预氧化，工艺复杂，增加了成本。且覆铜过程的温度高，工艺窗口窄，界面层存在热应力，还易产生空洞等缺陷，影响基板的导热性与绝缘性，成品率不高。
发明内容
本发明的目的是解决现有DBC技术中连接温度高、热应力大，空洞率高的缺陷，提供一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏。用以简化工艺，降低连接温度，缓解热应力和降低空洞率来提高接头质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末和助焊膏组成，所述钎料粉末为锡、银、铜、钛组成的混合金属粉末，所述助焊膏由以下重量百分比材料组成：松香24%-35%，溶剂45%-50%，缓蚀剂2%-6%，活性剂8%，触变剂6%，增稠剂4%-15%。
进一步，所述锡银铜钛粉末中Sn的质量分数为35%-50%，Ti的质量分数为4%-8%，Ag的质量分数为15%-35%，Cu的质量分数为20%-40%。
进一步，所述松香主要由二氢化松香，二聚松香，水白松香中的至少一种组成。
进一步，所述溶剂是由松油醇、二乙二醇甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丁醚、2-乙基-1，3-己二醇中的至少一种组成。
进一步，本发明所述溶剂是由松油醇、二乙二醇甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丁醚、2-乙基-1，3-己二醇中的任三种组成的三组元溶剂。
所述的触变剂主要由聚酰胺，聚酰胺蜡中的一种或两种组成。
所述活性剂由烷基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚或含氟的表面活性剂中的至少一种组成。
一种陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏的生产工艺，其特征在于包括以下步骤：
1）将锡、银、铜、钛的金属粉末混合后制成钎料粉末；
2）向步骤1）所述钎料粉末中加入丙酮并混合至粘稠状，放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比为2：1；球磨后钎料粉末的平均粒径为1-4微米，优选2微米；
3）将松香、溶剂和增稠剂置于容器中，在90-95℃的条件下用乳化分散机分散15~25分钟至溶液呈透明清澈状态，制得溶液a；
4）将步骤3）所述的溶液a降温至75-80℃ ，以保证溶剂的适当溶解度，同时使溶液粘度较小便于分散。加入缓蚀剂并用乳化分散机分散15~25min分钟，制得溶液b；
5）将步骤4）所述的溶液b温至55-60℃ ，再向其中加入触变剂和活化剂，以免高温使触变剂失活。用乳化分散机分散15~25分钟，制得溶液c；
6）将步骤5）所述的溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状制得助焊膏；
7）将步骤6）制得的助焊剂和步骤2）制得的钎料粉末按照4~6：1的重量比放入密封搅拌器中搅拌均匀制得焊膏。
进一步，上述技术方案中制备助焊膏的过程中使用重量百分比为24%-35%的松香，45%-50%的溶剂，2%-6%的缓蚀剂，8%的活性剂，6%的触变剂，4%-15%的增稠剂。
进一步，上述技术方案中制备钎料粉末过程中Sn的质量分数为35%-50%，Ag的质量分数为15%-35%，Cu的质量分数为20%-40%，Ti的质量分数为4%-8%。
与现有的直接覆铜连接技术相比，采用本发明连接陶瓷基板与铜可以简化工艺，氮化铝基板无需进行预氧化就可以与铜箔进行连接。活性元素Ti的存在使钎料对陶瓷基板有良好的润湿性，并且钎料中的低熔点组元Sn能够显著降低连接温度，连接温度可从氧铜共晶的1063℃降低至700℃左右，从而降低热应力和界面空洞率，保证了接头质量。而且钎料的使用温度还可随Sn元素的含量增减而上下变化，使得工艺窗口大大变宽，具有更强的适应性。
在助焊剂的制备过程当中，温度越高溶液粘度越低，越容易分散，但高温会使某些物质挥发变快或失去活性，因此，待溶液降温至75-80℃和55-60℃时分别加入缓蚀剂和触变剂、活化剂可以在保证组元活性的同时使溶液有较低的粘度，有利于提高分散过程的效率。
附图说明
图1为实施例3中工艺生产的焊膏连接的陶瓷与铜界面微观组织图。
具体实施方式
下面将通过具体实例对本发明做进一步的具体描述。
实施例1、3，4中Sn元素的质量分数均为40%，所含活性元素Ti的含量分别为，4%，5%，8%，对陶瓷基板润湿作用随Ti含量增高而改善。实施例2、5、6，7中Sn元素的含量分别为35%，45%，45%，50%，钎料的熔点随Sn元素的含量增加而降低。
实施例4中增稠剂含量为9%；实施例1，5，6，7中增稠剂含量低，为4%。在实施例3、4、5，7中采用了三组元溶剂。
试验发现实施例3中Sn、Ti含量适中，降低熔点同时保证了与陶瓷侧的良好连接，松油醇、二乙二醇单丁醚，二乙二醇甲醚组成的三组元溶剂能适应不同触变剂、活性剂组合，制成的焊膏粘度适中。采用实施例3中工艺生产的焊膏连接的陶瓷与铜界面微观组织见图1。
实施例1：
一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末与助焊膏组成。其中钎料粉末中：Ag的质量分数为26%，Cu的质量分数为30%，Ti的质量分数为4%，Sn的质量分数为40%。助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：
松 香：水白松香35%
溶 剂：松油醇20%，2-乙基-1，3-己二醇25%
触变剂：聚酰胺蜡6%
活性剂：烷基酚聚氧乙烯醚8%
缓蚀剂2%
增稠剂4%
上述陶瓷基板与铜连接的低温焊膏的生产工艺主要包括以下步骤：
(1) 称量40g钎料粉末置于球磨罐中，其中锡、银、铜、钛四种元素的质量分数比如前所述；
(2) 向(1)所述钎料粉末中加入适量丙酮并混合至粘稠状。放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比2：1，将粉末取出晾干备用；
(3) 按照重量百分比记，取水白松香35%，松油醇20%，2-乙基-1，3-己二醇25%和增稠剂4%置于容器中，在90℃的条件下用乳化分散机分散20分钟，使溶液呈透明清澈状态，得到溶液a；
(4) 将溶液a降温至80℃并将重量百分数为2%的缓蚀剂加入其中，随后用乳化分散机分散20分钟，制得溶液b；
(5) 将步骤(4)所述溶液b降温至60℃，并向其中加入聚酰胺蜡6%和烷基酚聚氧乙烯醚8%，用乳化分散机分散20分钟，制得溶液c；
(6) 将步骤(5)所述溶液c 冷却至20~25℃，成粘稠膏状，助焊膏制备完成；
(7) 将制备好的助焊膏和混合均匀的钎料粉末按照4：1重量比例放入密封搅拌器中搅拌均匀。
实施例2
一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末与助焊膏组成。其中钎料粉末中：Ag的质量分数为20%，Cu的质量分数为40%，Ti的质量分数为5%，Sn的质量分数为35%，助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：
松 香：二聚松香33%
溶 剂：松油醇20%，二乙二醇单丁醚25%
触变剂：聚酰胺6%
活性剂：烷基酚聚氧乙烯醚4%，壬基酚聚氧乙烯醚4%
缓蚀剂2%
增稠剂6%
上述陶瓷基板与铜连接的低温焊膏的生产工艺主要包括以下步骤：
(1) 称量40g钎料粉末置于球磨罐中，其中锡、银、铜、钛四种元素的质量分数比如前所述；
(2) 向(1)所述钎料粉末中加入适量丙酮并混合至粘稠状。放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比2：1。将粉末取出晾干备用；
(3) 按照重量百分比记，取二聚松香33%，松油醇20%，二乙二醇单丁醚25%和增稠剂6%置于容器中，在90℃的条件下用乳化分散机分散20分钟，使溶液呈透明清澈状态，得到溶液a；
(4) 将溶液a降温至80℃并将重量百分数为2%的缓蚀剂加入其中，随后用乳化分散机分散20分钟，制得溶液b；
(5) 将步骤(4)所述溶液b降温至60℃，并向其中加入聚酰胺6%和烷基酚聚氧乙烯醚4%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，用乳化分散机分散20分钟，制得溶液c；
(6) 将步骤(5)所述溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状，助焊膏制备完成；
(7) 将制备好的助焊膏和混合均匀的钎料粉末按照4：1重量比例放入密封搅拌器中搅拌均匀。
实施例3
一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末与助焊膏组成，其中钎料粉末中：Ag的质量分数为15%，Cu的质量分数为40%，Ti的质量分数为5%，Sn的质量分数为40%，助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：
松 香：二氢化松香33%
溶 剂：松油醇15%，二乙二醇单丁醚20%，二乙二醇甲醚10%
触变剂：聚酰胺4%，聚酰胺蜡2%
活性剂：壬基酚聚氧乙烯醚8%
缓蚀剂2%
增稠剂6%
上述陶瓷基板与铜连接的低温焊膏的生产工艺主要包括以下步骤：
(1) 称量40g钎料粉末置于球磨罐中，其中锡、银、铜、钛四种元素的质量分数比如前所述，
(2) 向(1)所述钎料粉末中加入适量丙酮并混合至粘稠状，放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比2：1。将粉末取出晾干备用；
(3) 按照重量百分比记，取二氢化松香33%，松油醇15%，二乙二醇单丁醚20%，二乙二醇甲醚10%和增稠剂6%置于容器中，在90℃的条件下用乳化分散机分散20分钟，使溶液呈透明清澈状态，得到溶液a；
(4) 将溶液a降温至80℃并将重量百分数为2%的缓蚀剂加入其中，随后用乳化分散机分散20分钟，制得溶液b；
(5) 将步骤(4)所述溶液b降温至60℃，并向其中加入聚酰胺4%，聚酰胺蜡2%和壬基酚聚氧乙烯醚8%，用乳化分散机分散20分钟，制得溶液c；
(6) 将步骤(5)所述溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状，助焊膏制备完成；
(7) 将制备好的助焊膏和混合均匀的钎料粉末按照4：1重量比例放入密封搅拌器中搅拌均匀。
实施例4
一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末与助焊膏组成，其中钎料粉末中：Ag的质量分数为15%，Cu的质量分数为37%，Ti的质量分数为8%，Sn的质量分数为40%，助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：
松 香：二氢化松香15%，二聚松香15%
溶 剂：松油醇20%，二乙二醇单丁醚15%，2-乙基-1，3-己二醇10%
触变剂：聚酰胺4%，聚酰胺蜡2%
活性剂：烷基酚聚氧乙烯醚5%，壬基酚聚氧乙烯醚3%
缓蚀剂2%
增稠剂9%
上述陶瓷基板与铜连接的低温焊膏的生产工艺主要包括以下步骤：
(1) 称量40g钎料粉末置于球磨罐中，其中锡、银、铜、钛四种元素的质量分数比如前所述；
(2) 向(1)所述钎料粉末中加入适量丙酮并混合至粘稠状，放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比2：1。将粉末取出晾干备用；
(3) 按照重量百分比记，取二氢化松香15%，二聚松香15%，松油醇20%，二乙二醇单丁醚15%，2-乙基-1，3-己二醇10%和增稠剂9%置于容器中，在90℃的条件下用乳化分散机分散20分钟，使溶液呈透明清澈状态，得到溶液a；
(4) 将溶液a降温至80℃并将重量百分数为2%的缓蚀剂加入其中，随后用乳化分散机分散20分钟，制得溶液b；
(5) 将步骤(4)所述溶液b降温至60℃，并向其中加入聚酰胺4%，聚酰胺蜡2%和烷基酚聚氧乙烯醚5%，壬基酚聚氧乙烯醚3%，用乳化分散机分散20分钟，制得溶液c；
(6) 将步骤(5)所述溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状，助焊膏制备完成；
(7) 将制备好的助焊膏和混合均匀的钎料粉末按照4：1重量比例放入密封搅拌器中搅拌均匀。
实施例5
一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末与助焊膏组成，其中钎料粉末中：Ag的质量分数为15%，Cu的质量分数为34%，Ti的质量分数为6%，Sn的质量分数为45%，助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：
松 香：二氢化松香15%，二聚松香15%
溶 剂：松油醇10%，二乙二醇单丁醚20%，2-乙基-1，3-己二醇20%
触变剂：聚酰胺4%，聚酰胺蜡2%
活性剂：烷基酚聚氧乙烯醚8%，
缓蚀剂2%
增稠剂4%
上述陶瓷基板与铜连接的低温焊膏的生产工艺主要包括以下步骤：
(1) 称量40g钎料粉末置于球磨罐中，其中锡、银、铜、钛四种元素的质量分数比如前所述；
(2) 向(1)所述钎料粉末中加入适量丙酮并混合至粘稠状，放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比2：1。将粉末取出晾干备用；
(3) 按照重量百分比记，取二氢化松香15%，二聚松香15%，松油醇10%，二乙二醇单丁醚20%，2-乙基-1，3-己二醇20%和增稠剂4%置于容器中，在90℃的条件下用乳化分散机分散20分钟，使溶液呈透明清澈状态，得到溶液a；
(4) 将溶液a降温至80℃并将重量百分数为2%的缓蚀剂加入其中，随后用乳化分散机分散20分钟，制得溶液b；
(5) 将步骤(4)所述溶液b降温至60℃，并向其中加入聚酰胺4%，聚酰胺蜡2%和烷基酚聚氧乙烯醚8%，用乳化分散机分散20分钟，制得溶液c；
(6) 将步骤(5)所述溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状，助焊膏制备完成；
(7) 将制备好的助焊膏和混合均匀的钎料粉末按照4：1重量比例放入密封搅拌器中搅拌均匀。
实施例6
一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末与助焊膏组成，其中钎料粉末中：Ag的质量分数为26%，Cu的质量分数为25%，Ti的质量分数为4%，Sn的质量分数为45%，助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：
松 香：水白松香35%
溶 剂：松油醇23%，2-乙基-1，3-己二醇22%
触变剂：聚酰胺蜡6%
活性剂：烷基酚聚氧乙烯醚8%
缓蚀剂2%
增稠剂4%
上述陶瓷基板与铜连接的低温焊膏的生产工艺主要包括以下步骤：
(1) 称量40g钎料粉末置于球磨罐中，其中锡、银、铜、钛四种元素的质量分数比如前所述；
(2) 向(1)所述钎料粉末中加入适量丙酮并混合至粘稠状，放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比2：1，将粉末取出晾干备用；
(3) 按照重量百分比记，取水白松香35%，松油醇23%，2-乙基-1，3-己二醇22%和增稠剂4%置于容器中，在90℃的条件下用乳化分散机分散20分钟，使溶液呈透明清澈状态，得到溶液a；
(4) 将溶液a降温至80℃并将重量百分数为2%的缓蚀剂加入其中，随后用乳化分散机分散20分钟，制得溶液b；
(5) 将步骤(4)所述溶液b降温至60℃，并向其中加入聚酰胺蜡6%和烷基酚聚氧乙烯醚8%，用乳化分散机分散20分钟，制得溶液c；
(6) 将步骤(5)所述溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状，助焊膏制备完成；
(7) 将制备好的助焊膏和混合均匀的钎料粉末按照4：1重量比例放入密封搅拌器中搅拌均匀。
实施例7
一种陶瓷基板与铜连接的低温焊膏，由钎料粉末与助焊膏组成，其中钎料粉末中：Ag的质量分数为15%，Cu的质量分数为30%，Ti的质量分数为5%，Sn的质量分数为50%，助焊膏主要由以下重量百分比材料组成：
松 香：二氢化松香15%，二聚松香15%
溶 剂：松油醇10%，二乙二醇单丁醚20%，2-乙基-1，3-己二醇20%
触变剂：聚酰胺2%，聚酰胺蜡4%
活性剂：烷基酚聚氧乙烯醚8%，
缓蚀剂2%
增稠剂4%
上述陶瓷基板与铜连接的低温焊膏的生产工艺主要包括以下步骤：
(1) 称量40g钎料粉末置于球磨罐中，其中锡、银、铜、钛四种元素的质量分数比如前所述；
(2) 向(1)所述钎料粉末中加入适量丙酮并混合至粘稠状。放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比2：1，将粉末取出晾干备用；
(3) 按照重量百分比记，取二氢化松香15%，二聚松香15%，松油醇10%，二乙二醇单丁醚20%，2-乙基-1，3-己二醇20%和增稠剂4%置于容器中，在90℃的条件下用乳化分散机分散20分钟，使溶液呈透明清澈状态，得到溶液a；
(4) 将溶液a降温至80℃并将重量百分数为2%的缓蚀剂加入其中，随后用乳化分散机分散20分钟，制得溶液b；
(5) 将步骤(4)所述溶液b降温至60℃，并向其中加入聚酰胺2%，聚酰胺蜡4%和烷基酚聚氧乙烯醚8%，用乳化分散机分散20分钟，制得溶液c；
(6) 将步骤(5)所述溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状，助焊膏制备完成；
(7) 将制备好的助焊膏和混合均匀的钎料粉末按照5：1重量比例放入密封搅拌器中搅拌均匀。

Claims (10)

1.一种陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏，由钎料粉末和助焊剂组成，其特征在于：所述钎料粉末为锡、银、铜、钛组成的混合金属粉末，所述助焊膏由以下重量百分比材料组成：松香24%-35%，溶剂45%-50%，缓蚀剂2%-6%，活性剂8%，触变剂6%，增稠剂4%-15%。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏，其特征在于：所述锡银铜钛钎料粉末中Sn的质量分数为35%-50%，Ag的质量分数为15%-35%，Cu的质量分数为20%-40%，Ti的质量分数为4%-8%。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏，其特征在于：所述松香由二氢化松香，二聚松香，水白松香中的至少一种组成。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏，其特征在于：所述溶剂是由松油醇、二乙二醇甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丁醚、2-乙基-1，3-己二醇中的至少一种组成。
5.根据权利要求1或2或3或4中任一权利要求所述的陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏，其特征在于：所述溶剂是由松油醇、二乙二醇甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丁醚、2-乙基-1，3-己二醇中的任三种组成的三组元溶剂。
6.根据权利要求1所述的陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏，其特征在于：所述的触变剂由聚酰胺，聚酰胺蜡中的一种或两种组成。
7.根据权利要求1所述的陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏，其特征在于：所述活性剂由烷基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、含氟的表面活性剂中的至少一种组成。
8.一种陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏的生产工艺，其特征在于包括以下步骤：
1）将锡、银、铜、钛的金属粉末混合后制成钎料粉末；
2）向步骤1）所述钎料粉末中加入丙酮并混合至粘稠状，放入球磨机中以120-180转/分钟的转速球磨6-8小时，球料比为2：1；球磨后钎料粉末的平均粒径为1~4微米；
3）将松香、溶剂和增稠剂置于容器中，在90-95℃的条件下用乳化分散机分散15~25分钟至溶液呈透明清澈状态，制得溶液a；
4）将步骤3）所述的溶液a降温至75-80℃ ，加入缓蚀剂并用乳化分散机分散15~25min分钟，制得溶液b；
5）将步骤4）所述的溶液b温至55-60℃ ，并向其中加入触变剂和活化剂，用乳化分散机分散15~25分钟，制得溶液c；
6）将步骤5）所述的溶液c冷却至20~25℃，成粘稠膏状制得助焊膏；
7）将步骤6）制得的助焊剂和步骤2）制得的钎料粉末按照4~6：1的重量比放入密封搅拌器中搅拌均匀制得焊膏。
9.根据权利要求8所述的一种陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏的生产工艺，其特征在于，制备助焊膏的过程中使用重量百分比为24%-35%的松香，45%-50%的溶剂，2%-6%的缓蚀剂，8%的活性剂，6%的触变剂，4%-15%的增稠剂。
10.根据权利要求8所述的一种陶瓷基板与覆铜箔片低温连接的焊膏的生产工艺，其特征在于：步骤1）所述的钎料粉末中Sn的质量分数为35%-50%，Ag的质量分数为15%-35%，Cu的质量分数为20%-40%，Ti的质量分数为4%-8%。
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