CN107350655A - 一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料及其制备方法，属于电子封装技术领域。该活性焊料由铜、锡两金属通过机械活化复合而成，铜、锡的摩尔比为1:1~3:1；所述的复合粉末的颗粒尺寸为数十至数百微米，由铜、锡以层状形式交替排列组成，每层的厚度为数十至数千纳米；所述的复合粉末的颗粒内可能形成少量的铜锡金属间化合物。复合粉末活性焊料的机械活化制备方法为高能球磨，所述的高能球磨采用纯铜、纯锡粉末为原材料，铜粉、锡粉原料的摩尔比为1:1~3:1，使用真空或气氛保护，球磨时间为0.5~8小时。本发明具有制备工艺简单、连接温度低、连接时间短，可用于新一代芯片及其耐高温电子器件的电子封装。
Description
技术领域
本发明属于电子封装领域，涉及一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料及其制备方法。
背景技术
新一代半导体高温功率芯片可以大幅提高电子器件的服役温度，耐高温封装技术需求已变得更加紧迫。高铅钎料钎焊是传统的高温封装技术，然而由于铅对环境造成的巨大危害已使得电子封装领域全面禁用含铅钎料，无铅焊料和及其连接技术成为新型电子封装的关键。
金基钎料是一类较早被研究并应用的高温无铅钎料，已经发展的体系有Au-Sn、Au-Ge、Au-Si等。金基钎料与传统高铅钎料相比耐腐蚀性强，导热导电等物理性能优良，缺点是较脆且硬度高，不易于加工制备成形；另外，金基钎料价格昂贵，也极大地制约了其在封装领域中的大规模应用。Ag-Bi基钎料和Sn-Sb基钎料具有与高铅钎料相近的固相线温度，也是综合性能较好的两类高温无铅钎料，且价格相对较低、制备工艺简单，可直接做成钎料膏，在高温电子器件连接中已经有了一定的应用。然而，高温钎料要求较高的连接温度，这种高温加热过程会加剧电子器件中各种材料热膨胀系数的不匹配而导致应力、变形、甚至电子器件的破坏，从而降低电子器件的可靠性和使用寿命。
近年来，国内外在高温封装技术方面的开发思路是“低温连接/高温服役”，以降低封装温度，减小加热过程对电子器件的热损伤，而同时又能获得尽可能高的耐热温度。按照这一思路已开发的电子封装技术主要有纳米银颗粒烧结连接、固液互扩散连接或瞬时液相烧结连接等。纳米银烧结连接是一种利用纳米颗粒的表面效应（降低到纳米级尺寸粉末比表面积和表面能增加）在较低的温度(200~350℃)和一定的压力（一般为1~30MPa）下实现的耐高温封装连接技术。纳米银烧结接头的强度高、导电和导热性优良，耐热性好，总体来看，纳米银低温烧结连接是一种能够在较低温度下实现的耐高温封装连接技术。然而由于固态烧结连接自身存在的不足，辅助压力较大，连接时间较长，应用受到限制。
固液互扩散连接或瞬时液相烧结连接是利用两种熔点差异较大的金属作为连接材料，连接过程中低熔点金属熔化形成液相，利用低熔点金属与高熔点金属之间固-液互扩散/反应来实现等温凝固、连接并获得耐高温接头的连接方法。目前已研究固液互扩散连接二元金属体系主要有Cu-In、Au-In、Au-Sn、Ag-In、Ag-Sn、Sn-Cu和Sn-Ni等，这些二元金属体系的共同特点是能够形成高熔点的金属间化合物，这种高熔点金属间化合物是固液互扩散连接接头耐热温度能够显著高于连接温度，从而实现“低温连接/高温服役”的关键。固液互扩散连接得优点是通常不需要压力，加热温度也相对较低；其缺点是反应动力学较慢，要想得到不含低熔点相的连接接头，连接过程通常需要数十分钟。
从以上分析得知，现有耐高温电子封装技术存在连接温度高、连接压力大或连接时间长等缺陷，不能满足未来新一代芯片及其电子器件耐高温连接的需求。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提出了一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料及其制备方法，通过使锡、铜纳米尺度复合，增加两者的接触面积和反应活性、改善高熔点金属化合物的反应动力学，从而减小连接压力、降低连接温度和缩短连接时间。
一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料，所述的焊料粉末颗粒由铜、锡两种金属元素组成，其组成方式是两种金属通过机械活化复合而成，铜、锡的摩尔比为1:1~3:1。
所述的焊料粉末颗粒尺寸为10~200微米，由铜、锡以层状形式交替排列组成，每层的厚度为10~9000纳米。
所述的粉末颗粒内部铜、锡片层间可能形成少量的铜锡金属间化合物，铜锡金属间化合物的体积百分含量为0.1~30%。
所述的机械活化复合是将纯金属粉末原材料在真空或保护气下进行高能球磨，获得复合粉末活性焊料；其中球磨时间范围为0.5~8小时。
一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料制备方法，其步骤如下：
步骤一、以纯铜、纯锡粉末为原材料，纯铜与纯锡的摩尔比为1:1~3:1。
步骤二、将原材料在真空或保护气下进行高能球磨，获得复合粉末活性焊料；其中球磨时间范围为0.5~8小时。
步骤三、将获得的复合粉末活性焊料冷压成片状，压力100~300MPa，焊料片厚度0.2~0.6mm。
铜/锡纳米复合粉末活性焊料连接温度为200~350℃、连接压力为0.1~1MPa，连接时间为2~20min。
试验结果表明，本发明焊料得到的连接接头在350℃下的剪切强度不低于10MPa。
本发明的有益效果：
1）铜、锡来源广、价格低。
2）高能球磨制备工艺简单、复合粉末质量容易控制。
3）连接温度低、压力小、时间短，对电子器件的热-机损伤小。
附图说明
图1为铜/锡纳米复合粉末颗粒结构示意图；1锡，2铜，3铜锡金属间化合物。
具体实施方式
本发明为一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料及其制备方法，下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
1）原料粉末配制。将锡粉（纯度99.9%，粒度150目）和铜粉（纯度99.9%，粒度200目）铜、锡粉末按摩尔比1:1称取，并混合在一起。
2）高能球磨。将步骤1）中制备的混合金属粉末，按球料比15:1（质量比）与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐中，加盖密封，用机械泵抽真空至1×10-1Pa后关闭真空阀，向罐内充氩气至1大气压后关闭真空阀，重复抽真空-充氩气过程3次，然后启动球磨机，球磨转速300rpm，球磨时间4小时。
3）连接，将步骤2）中获得的粉末冷压成片状焊料，压力300MPa，焊料片厚度0.6mm。将焊料片置于待连接的两个铜板之间，并用夹具固定。将装配好的了连接试样连同夹具放入加热炉中进行连接。连接的工艺参数：连接压力为1MPa、连接温度为350℃、连接时间为20分钟。
4）性能表征。步骤2）制备的铜/锡纳米复合粉末采用金相显微镜观察其颗粒剖面，可以发现焊料粉末颗粒的尺寸为100~200微米，铜、锡在颗粒内部以层状形式交替排列，每层的厚度为30~2000纳米，片层间形成体积百分含量约为10%的铜锡金属间化合物，如附图1所示。步骤3）制备的连接接头采用金相显微镜观察，可以发现焊接层全部为金属间化合物组成，未发现低熔点的锡。在350℃进行剪切试验，得到的剪切强度为15MPa，
实施例二：
1）原料粉末配制。将锡粉（纯度99.9%，粒度150目）和铜粉（纯度99.9%，粒度200目）铜、锡粉末按摩尔比2:1称取，并混合在一起。
2）高能球磨。将步骤1）中制备的混合金属粉末，按球料比15:1（质量比）与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐中，加盖密封，用机械泵抽真空至1×10-1Pa后关闭真空阀，向罐内充氩气至1大气压后关闭真空阀，重复抽真空-充氩气过程3次，然后启动球磨机，球磨转速200rpm，球磨时间0.5小时。
3）连接，将步骤2）中获得的粉末冷压成片状焊料，压力100MPa，焊料片厚度0.2mm。将焊料片置于待连接的两个铜板之间，并用夹具固定。将装配好的了连接试样连同夹具放入加热炉中进行连接。连接的工艺参数：连接压力为0.1MPa、连接温度为250℃、连接时间为10分钟。
4）性能表征。步骤2）制备的铜/锡纳米复合粉末采用金相显微镜观察其颗粒剖面，可以发现焊料粉末颗粒的尺寸为10~200微米，铜、锡在颗粒内部以层状形式交替排列，每层的厚度为1000~9000纳米，片层间未形成铜锡金属间化合物。步骤3）制备的连接接头采用金相显微镜观察，可以发现焊接层为金属间化合物基体上分布一定数量片状铜，未发现低熔点的锡。在350℃进行剪切试验，得到的剪切强度均高于11MPa，
实施例三：
1）原料粉末配制。将锡粉（纯度99.9%，粒度150目）和铜粉（纯度99.9%，粒度200目）铜、锡粉末按摩尔比3:1称取，并混合在一起。
2）高能球磨。将步骤1）中制备的混合金属粉末，按球料比15:1（质量比）与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐中，加盖密封，用机械泵抽真空至1×10-1Pa后关闭真空阀，向罐内充氩气至1大气压后关闭真空阀，重复抽真空-充氩气过程3次，然后启动球磨机，球磨转速400rpm，球磨时间8小时。
3）连接，将步骤2）中获得的粉末冷压成片状焊料，压力200MPa，焊料片厚度0.4mm。将焊料片置于待连接的两个铜板之间，并用夹具固定。将装配好的了连接试样连同夹具放入加热炉中进行连接。连接的工艺参数：连接压力为0.5MPa、连接温度为300℃、连接时间为2分钟。
4）性能表征。步骤2）制备的铜/锡纳米复合粉末采用金相显微镜观察其颗粒剖面，可以发现焊料粉末颗粒的尺寸为60~150微米，铜、锡在颗粒内部以层状形式交替排列，每层的厚度为10~200纳米铜、锡在颗粒内部形成片层交替排列形貌，层间形成体积百分含量约为30%的铜锡金属间化合物。步骤3）制备的连接接头采用金相显微镜观察，可以发现焊接层为金属间化合物基体上分布一定数量片状铜，未发现低熔点的锡。在350℃进行剪切试验，得到的剪切强度均高于17MPa，
以上实施例表明，本发明可以解决现有技术中连接温度高、连接压力大、连接时间长的缺陷，适用于新一代芯片及其耐高温电子器件的电子封装。
以上所述的仅是本发明的一个具体实施例，原料粉末成分配比、球磨工艺参数等没有详尽列出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出工艺上的增减与改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料，其特征在于：所述的焊料粉末颗粒由铜、锡两种金属通过机械活化复合而成，铜、锡的摩尔比为1:1~3:1。
2.如权利要求1所述的复合粉末活性焊料，其特征在于：焊料粉末颗粒的尺寸为10~200微米，所述的粉末颗粒由铜、锡以层状形式交替排列，每层的厚度为10~9000纳米。
3.如权利要求2所述的复合粉末活性焊料，其特征在于：所述的粉末颗粒内部铜、锡层间具有铜锡金属间化合物，铜锡金属间化合物的体积百分含量为0.1~30%。
4.如权利要求1所述的复合粉末活性焊料，其特征在于：所述的机械活化复合是将纯金属粉末原材料在真空或保护气下进行高能球磨，获得复合粉末活性焊料。
5.一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料制备方法，其特征在于：
步骤一、以纯铜、纯锡粉末为原材料，纯铜与纯锡的摩尔比为1:1~3:1；
步骤二、将原材料在真空或保护气下进行高能球磨，获得复合粉末活性焊料；其中球磨时间范围为0.5~8小时。
6.如权利要求5所述的复合粉末活性焊料制备方法，其特征在于：所述的获得复合粉末活性焊料通过冷压成片状，压力100~300MPa，焊料片厚度0.2~0.6mm。
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