CN109249021A - 铜锡合金件的制备方法、igbt管壳及其凸台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铜锡合金件的制备方法、IGBT管壳及其凸台，该制备方法包括：在基板上铺设第一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的第一层铜锡合金粉末，使选定区域的第一层铜锡合金粉末局部熔合，在基板表面形成激光熔覆层；铜锡合金粉末中铜、锡的重量比为96:4～80:20；在激光熔覆层上铺设另一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的另一层铜锡合金粉末，形成与上一层激光熔覆层熔合的另一激光熔覆层；直到得到预设形状的铜锡合金成形件；对铜锡合金成形件进行固溶时效热处理得到铜锡合金。本发明制备的铜锡合金偏析程度小、合金相固溶度高、成分均匀和组织细小，解决了现有铸造态铜锡合金强度低、韧性低、难以成形及成分偏析的问题。

Description

铜锡合金件的制备方法、IGBT管壳及其凸台
技术领域
本发明涉及大功率压接IGBT模块封装技术领域，具体涉及一种铜锡合金件的制备方法、IGBT管壳及其凸台。
背景技术
目前，现有的刚性压接式IGBT封装时采用电极、钼片、芯片、调整片直接叠加的方式，其中刚性压接式结构种还包括铜凸台，它起到承托模组、导电、通流的作用，同时还起到缓冲压力的作用。现有的刚性压接式结构中的铜凸台，变形量小，对于压力均匀性的调整有限，因此在加工时的精度要求十分严格，一般累计公差控制在50μm以内，但这造成配件筛选和生产加工困难。由于加工误差无法避免，局部结构应力集中不可避免，从而严重影响模块芯片的均流特性。
铜锡合金可根据不同需求调整Cu、Sn元素比例，获得具有不同性能的Cu-Sn合金。随着电子行业的快速发展，具有复杂结构Cu-Sn合金的需求与日俱增，而常规制备方法如铸造、塑性加工等在制备复杂结构件上耗时耗力、难度较大。另外，铜锡合金在常规凝固方法中，合金相的固溶度低，晶界偏析严重，对合金的强度能造成不利的影响，以上因素均制约了Cu-Sn合金在微电子领域的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种铜锡合金件的制备方法、IGBT管壳及其凸台以解决现有铸造态铜锡合金强度低、韧性低和刚性压接式IGBT封装结构中的铜凸台变形量小的技术问题。
本方案提出的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种铜锡合金件的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在基板上铺设第一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的所述第一层铜锡合金粉末，使选定区域的所述第一层铜锡合金粉末局部熔合，在所述基板表面形成激光熔覆层；所述铜锡合金粉末中铜、锡的重量比为96:4～80:20；步骤2：在所述激光熔覆层上铺设另一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的所述另一层铜锡合金粉末，形成与所述激光熔覆层熔合的另一激光熔覆层；步骤3：重复执行步骤2，直到得到预设形状的铜锡合金成形件；步骤4：对所述铜锡合金成形件进行固溶时效热处理得到铜锡合金件。
优选地，各层铜锡合金粉末进行激光束选区加热的选定区域相同或不同。
优选地，所述激光束选区加热的工艺参数包括：所述激光束的扫描速率为1000～1200mm/s；所述激光束的激光功率为200W～250W；所述激光束的扫描间距为0.07～0.11mm。
优选地，所述铜锡合金粉末为Cu-4.3Sn、Cu-5Sn、Cu-10Sn、Cu-15Sn和Cu-20Sn中的一种。
优选地，所述铜锡合金粉末的粒径分布为15～60μm，氧含量低于2000ppm。
优选地，所述固溶时效热处理包括：将所述铜锡合金成形件于673K～773K下保温1～2小时，再升温至1073K～1173K，保温3～4小时，然后冷却至室温得到铜锡合金件。
本发明第二方面提供一种IGBT管壳用凸台，所述凸台为采用第一方面或第一方面中任意一种实施方式所述的铜锡合金件的制备方法制得的铜锡合金件。
本发明第三方面提供一种IGBT管壳，所述管壳具有第二方面所述的凸台。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的铜锡合金件的制备方法，利用3D打印技术中的激光选区熔化技术制备铜锡合金，可以在铜锡合金粉末的局部发生熔化和凝固，实现铜锡合金熔体的快速形核与长大，可以获得偏析程度小、合金相固溶度高、成分均匀和组织细小的铜锡合金，且制备的铜锡合金晶粒尺寸更为细小，抗拉强度和延伸率更高，解决了现有铸造态铜锡合金强度低、韧性低、难以成形及成分偏析的问题。
2.本发明提供的IGBT管壳用凸台，采用3D打印技术中的激光选区熔化技术制备的铜锡合金，具有高抗拉强度和高延伸率，可以在一定范围内发生变形，解决了现有铜凸台变形量小、对压力均匀性的调整有限的问题，此外，本发明实施例的凸台氧含量低于2000ppm，氧含量低，不易发生氧化，不会在凸台的局部生成气孔缺陷，同时凸台可以在IGBT管壳中起到承托模组、导电、通流和缓冲压力的作用。
3.本发明提供的IGBT管壳，具有实施例2中的凸台结构，抗拉强度和延伸率更高，变形量大，相比现有的IGBT管壳不会产生局部应力集中的问题，因此IGBT刚性压接式封装结构中的芯片均流特性良好，且所用的凸台的晶粒更加细化，使得IGBT管壳的变形更加均匀，性能更加优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中铜锡合金件的制备方法的一个具体示例的流程图；
图2为本发明实施例1中制备的Cu-10Sn合金的电子显微镜微观形貌图；
图3为本发明实施例1中制备的Cu-10Sn合金在准静态拉伸条件下的应力-应变曲线图；
图4为本发明实施例1中制备的Cu-10Sn合金在准静态拉伸条件下的断口形貌图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种铜锡合金件的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：在基板上铺设第一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的第一层铜锡合金粉末，使选定区域的第一层铜锡合金粉末局部熔合，在基板表面形成激光熔覆层；铜锡合金粉末中铜、锡的重量比为96:4～80:20，其中基板铺设粉末前先进行预热；
步骤2：在所述激光熔覆层上铺设另一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的另一层铜锡合金粉末，形成与所述激光熔覆层熔合的另一激光熔覆层；
步骤3：重复执行步骤2，直到得到预设形状的铜锡合金成形件时，即完成铺设的最后一层铜锡合金粉末；
步骤4：对铜锡合金成形件进行固溶时效热处理得到用于IGBT铜凸台的铜锡合金。
本发明实施例中，步骤4中得到的铜锡合金是块体材料，后续可以通过计算机辅助工程技术(computer aided engineering，CAE)的前处理(给实体建模与参数化建模等)、有限元分析(运用相关算法进行解析)和后处理(对有限元分析结果进行优化)等过程对块体材料的铜锡合金进行设计和处理实现三维立体近净成形。
本发明实施例中，利用3D打印技术中的激光选区熔化技术制备铜锡合金，可以在铜锡合金粉末的局部发生熔化和凝固，实现铜锡合金熔体的快速形核与长大，可以获得偏析程度小、合金相固溶度高、成分均匀和组织细小的铜锡合金，且制备的铜锡合金晶粒尺寸更为细小，抗拉强度和延伸率更高，解决了现有铸造态铜锡合金强度低、韧性低、难以成形及成分偏析的问题。
在一较佳实施例中，各层铜锡合金粉末进行激光束选区加热的选定区域相同或不同，当每层铜锡合金粉末的选定区域相同时所得铜锡合金可为柱状。
在一较佳实施例中，激光束选区加热的工艺参数包括：激光束的扫描速率为1000～1200mm/s；激光束的激光功率为200W～250W；激光束的扫描间距为0.07～0.11mm。
在一较佳实施例中，铜锡合金粉末的粒径分布为15～60μm，氧含量低于2000ppm。
在一较佳实施例中，固溶时效热处理包括：将铜锡合金成形件于673K～773K下保温1～2小时，再升温至1073K～1173K，保温3～4小时，然后冷却至室温得到铜锡合金件。
本发明实施例中，步骤4中得到的铜锡合金件可以采用日本日立公司的HITACHIS4800型冷场发射扫描电子显微镜进行微观形貌表征，工作电压为15kV；可以利用阿基米德排水法测得试样的相对密度，可以采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温轴向准静态拉伸试验测量制备的铜锡合金的延伸率，测试所采用的试验机应变率为10-3s-1，在实际应用中，不以此为限，也可以采用其他型号的其他装置对制备的铜锡合金进行表征。
在利用本发明实施例中铜锡合金件的制备方法的步骤1至步骤4制备铜锡合金时，可以选择气雾化或水雾化制备的铜锡合金粉末，铜锡合金粉末可以为Cu-4.3Sn、Cu-5Sn、Cu-10Sn、Cu-15Sn和Cu-20Sn，下面分别以Cu-10Sn、Cu-15Sn和Cu-20Sn为例详细说明铜锡合金的制备方法。
本发明实施例中，可以选择气雾化制备的Cu-10Sn合金粉末，Cu-10Sn合金粉末的粒径分布为15～60μm，氧含量低于2000ppm，可以利用EOSM280型号的金属3D打印机设备进行铜锡合金件的制备方法中步骤1至步骤3进行铜锡合金成形件的制备，其中激光束选区加热时所用的激光束扫描速率为1100mm/s、激光功率为250W、扫描间距为0.09mm，步骤1中的基板可以为不锈钢基板，预热温度为353K，在进行步骤1至步骤3时打印机的打印腔内通入纯度≥99.999％的高纯氩气，当腔内氧含量≤0.1％时进行打印。
然后采用铜锡合金件的制备方法中步骤4对打印完成的Cu-10Sn合金成形件进行固溶时效热处理，将铜锡合金成形件固溶加热到673K保温2小时，再升温至1073K保温4小时，接着冷却至室温得到铜锡合金件。固溶时效热处理的设备可以为GSL-1600X型号的立式高温真空气氛管式炉，但本发明并不以此为限。
在对制得的铜锡合金进行表征时，可以采用上述扫描电子显微镜和微机电子万能试验机等设备或阿基米德排水法进行表征。图2所示为本发明实施例制备的Cu-10Sn合金的微观组织结构，从图中可以看出制备的Cu-10Sn合金组织结构为等轴晶，部分等轴晶内存在孪晶组织，属于理想的铸锭组织，在对其加工时合金的变形均匀、性能优异、塑性好，利于随后的塑性加工；利用阿基米德排水法测得Cu-10Sn合金的相对密度为99.7％。图3所示为制备的Cu-10Sn合金在准静态拉伸条件下的应力-应变曲线，制备的Cu-10Sn合金的抗拉强度达到873MPa，延伸率为54％，而现有的铸造态Cu-10Sn合金的抗拉强度为230MPa，塑性变形量为22％；图4所示为准静态拉伸条件下Cu-10Sn合金的断口形貌，断口由大量细密的韧窝结构组成，说明得到的铜锡合金晶粒更加细化。
本发明实施例中，也可以选择水雾化制备的Cu-15Sn合金粉末，Cu-15Sn合金粉末的粒径分布为15～60μm，氧含量低于2000ppm，可以利用EOSM280型号的金属3D打印机设备进行铜锡合金件的制备方法中步骤1至步骤3进行铜锡合金成形件的制备，其中激光束选区加热时所用的激光束扫描速率为1000mm/s；激光功率为220W；扫描间距为0.08mm。步骤1中的基板可以为不锈钢基板，预热温度为353K，在进行步骤1至步骤3时打印机的打印腔内通入纯度≥99.999％的高纯氩气，当腔内氧含量≤0.1％时进行打印。
然后采用铜锡合金件的制备方法中步骤4对打印完成的Cu-15Sn合金成形件进行固溶时效热处理，将铜锡合金成形件固溶加热到673K保温1小时，再升温至1073K保温3小时，接着冷却至室温得到铜锡合金。固溶时效热处理的设备可以为GSL-1600X型号的立式高温真空气氛管式炉，但本发明并不以此为限。
在对制得的铜锡合金进行表征时，可以采用上述扫描电子显微镜和微机电子万能试验机等设备或阿基米德排水法进行表征。本发明实施例中制备的Cu-15Sn合金相对密度可以达到99.7％，抗拉强度可以达到885MPa，延伸率可以达到53％，而现有的铸造态Cu-15Sn合金的抗拉强度为200MPa，塑性变形量为22％。
本发明实施例中，还可以选择水雾化制备的Cu-20Sn合金粉末，Cu-20Sn合金粉末的粒径分布为15～60μm，氧含量低于2000ppm，可以利用EOSM280型号的金属3D打印机设备进行铜锡合金件的制备方法中步骤1至步骤3进行铜锡合金成形件的制备，其中激光束选区加热时所用的激光束扫描速率为1200mm/s；激光功率为250W；扫描间距为0.011mm。步骤1中的基板可以为不锈钢基板，预热温度为353K，在进行步骤1至步骤3时打印机的打印腔内通入纯度≥99.999％的高纯氩气，当腔内氧含量≤0.1％时进行打印。
然后采用铜锡合金件的制备方法中步骤4对打印完成的Cu-20Sn合金成形件进行固溶时效热处理，将铜锡合金成形件固溶加热到673K保温2小时，再升温至1073K保温3小时，接着冷却至室温得到铜锡合金件。固溶时效热处理的设备可以为GSL-1600X型号的立式高温真空气氛管式炉，但本发明并不以此为限。
在对制得的铜锡合金进行表征时，可以采用上述扫描电子显微镜和微机电子万能试验机等设备或阿基米德排水法进行表征。本发明实施例中制备的Cu-20Sn合金相对密度可以达到99.8％，抗拉强度可以达到876MPa，延伸率可以达到55％，而现有的铸造态Cu-20Sn合金的抗拉强度为210MPa，塑性变形量为30％。
本发明实施例制备的铜锡合金的抗拉强度达到870MPa～890MPa，延伸率可以达到50％～60％，与现有铸造态铜锡合金的相比，断裂强度和塑性变形量相比铸态铜锡合金提升近50％，具有更高的抗拉强度和更高的延伸率，且制备的铜锡合金晶粒尺寸细小，综合力学性能更加优异。
实施例2
本发明实施例提供一种IGBT管壳用凸台，凸台为采用实施例1中的铜锡合金件的制备方法制得的铜锡合金件。
本发明实施例中的凸台采用3D打印技术中的激光选区熔化技术制备的铜锡合金，具有高抗拉强度和高延伸率，可以在一定范围内发生变形，解决了现有铜凸台变形量小、对压力均匀性的调整有限的问题，此外，本发明实施例的凸台氧含量低于2000ppm，氧含量低，不易发生氧化，不会再凸台的局部生成气孔缺陷，同时凸台可以在IGBT管壳中起到承托模组、导电、通流和缓冲压力的作用。
实施例3
本发明实施例提供一种IGBT管壳，管壳具有实施例2中的凸台。
本发明实施例中的IGBT管壳具有实施例2中的凸台结构，抗拉强度和延伸率更高，变形量大，相比现有的IGBT管壳不会产生局部应力集中的问题，因此IGBT刚性压接式封装结构中的芯片均流特性良好，且所用的凸台的晶粒更加细化，使得IGBT管壳的变形更加均匀，性能更加优异。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种铜锡合金件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在基板上铺设第一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的所述第一层铜锡合金粉末，使选定区域的所述第一层铜锡合金粉末局部熔合，在所述基板表面形成激光熔覆层；所述铜锡合金粉末中铜、锡的重量比为96:4～80:20；
步骤2：在所述激光熔覆层上铺设另一层铜锡合金粉末，用激光束选区加热选定区域的所述另一层铜锡合金粉末，形成与所述激光熔覆层熔合的另一激光熔覆层；
步骤3：重复执行步骤2，直到得到预设形状的铜锡合金成形件；
步骤4：对所述铜锡合金成形件进行固溶时效热处理得到用铜锡合金件。
2.如权利要求1所述的铜锡合金件的制备方法，其特征在于，
各层铜锡合金粉末进行激光束选区加热的选定区域相同或不同。
3.如权利要求1所述的铜锡合金件的制备方法，其特征在于，
所述激光束选区加热的工艺参数包括：所述激光束的扫描速率为1000～1200mm/s；所述激光束的激光功率为200W～250W；所述激光束的扫描间距为0.07～0.11mm。
4.如权利要求1所述的铜锡合金件的制备方法，其特征在于，所述铜锡合金粉末为Cu-4.3Sn、Cu-5Sn、Cu-10Sn、Cu-15Sn和Cu-20Sn中的一种。
5.如权利要求1-4中任一项所述的铜锡合金件的制备方法，其特征在于，所述铜锡合金粉末的粒径分布为15～60μm，氧含量低于2000ppm。
6.如权利要求1所述的铜锡合金件的制备方法，其特征在于，所述固溶时效热处理包括：将所述铜锡合金成形件于673K～773K下保温1～2小时，再升温至1073K～1173K，保温3～4小时，然后冷却至室温得到铜锡合金件。
7.一种IGBT管壳用凸台，其特征在于，所述凸台为采用权利要求1-6中任一项所述的铜锡合金件的制备方法制得的铜锡合金件。
8.一种IGBT管壳，其特征在于，所述管壳具有如权利要求7所述的凸台。
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