CN109693056B

CN109693056B - 一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料及其制备方法

Info

Publication number: CN109693056B
Application number: CN201910138328.2A
Authority: CN
Inventors: 刘昌涛; 陈燕
Original assignee: Xi'an Mingke Microelectronic Material Co ltd
Current assignee: Xi'an Mingke Microelectronic Material Co ltd
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: CN109693056A

Abstract

本发明公开了一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料及其制备方法，将硅酸钠、锗片、五氧化二磷、三氧化二硼、氧化钼、氯化亚铜、氯化银、氧化铋、氟铝酸钾、无水碳酸钠及添加剂干燥后混合均匀得到M1，将M1放入石英坩埚中熔融，然后取出并将其倒入低温乙醇溶液当中，然后收集渣料，在乙醇溶液中球磨，过滤、清洗、烘干后得到粉料M2；然后对粉料M2进行造粒，干压成型得到空心圆柱状素坯M4，将素坯M4进行烧结，冷却后得到绝缘子焊料成品。本发明制备的焊料在常温下本身绝缘性能好，而且可以焊接金属和铝碳化硅，满足铝碳化硅管壳绝缘子直接烧结。

Description

一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料及其制备方法

技术领域

本发明属于低温焊料技术领域，具体涉及一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料及其制备方法。

背景技术

碳化硅增强铝基复合材料导热性能好，膨胀系数小，强度高，密度低，在电子封装领域应用广泛，尤其是高体积分数铝碳化硅材质的管壳，提高了元器件的可靠性和稳定性，解决了电路的热失效问题，是航空航天恶劣环境下的首选材料。但是铝碳化硅本身也存在很大的缺点，耐温性差。传统意义上的绝缘子均为玻璃或陶瓷类，其烧结温度普遍在800～1200℃，这根本无法适用于铝碳化硅材质，因为铝碳化硅超过520℃以上性能将会发生改变，产生一系列未知影响。

为了改变铝碳化硅绝缘子难焊接性，业内普遍采用两步烧结的办法进行，即先将绝缘子与可伐环在高温下烧结，然后通过低温钎焊工艺将铝碳化硅和可伐环焊接。这种工艺复杂，成本高，最主要的是钎焊普遍焊接温度低于300℃，这使得管壳后续芯片及元器件焊接温度梯度受限，铝碳化硅管壳应用受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料及其制备方法，满足铝碳化硅管壳绝缘子直接烧结。

本发明采用以下技术方案：

一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，将硅酸钠、锗片、五氧化二磷、三氧化二硼、氧化钼、氯化亚铜、氯化银、氧化铋、氟铝酸钾、无水碳酸钠及添加剂干燥后混合均匀得到M1，将M1放入石英坩埚中熔融，然后取出并将其倒入低温乙醇溶液当中，然后收集渣料，在乙醇溶液中球磨，过滤、清洗、烘干后得到粉料M2；然后对粉料M2进行造粒，干压成型得到空心圆柱状素坯M4，将素坯M4进行烧结，冷却后得到绝缘子焊料成品。

具体的，添加剂包括氧化钠、氧化铝和三氧化钨，按质量百分数计，将1～5％的硅酸钠、1～5％的锗片、20～60％的五氧化二磷、20～40％的三氧化二硼、3～10％的氧化钼、1～10％的氯化亚铜、1～5％的氯化银、1～10％的氧化铋、1～5％的氟铝酸钾、1～5％的无水碳酸钠、0.1～3％的氧化钠、0.1～1％的氧化铝和0.1～0.5％的三氧化钨干燥后混合均匀。

具体的，熔融温度为1100～1600℃，保温0.5～5h。

具体的，乙醇溶液的温度为-10～-30℃，将熔融浆料倒入乙醇溶液中的时间不超过10s。

具体的，破碎后采用氧化锆球在乙醇溶液中球磨24～72h，然后经过滤、清洗和烘干处理。

具体的，配制包括羟甲基丙基纤维素钠，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵和磷酸三丁酯的混合溶液M3，对粉料M2进行造粒，混合溶液M3的浓度为5～15％。

进一步的，羟甲基丙基纤维素钠：聚乙烯醇：十六烷基三甲基溴化铵：磷酸三丁酯的质量比为3:7:1:1。

具体的，干压成型得到空心圆柱状素坯M4，成型压力为2～15Mpa。

具体的，对M4进行低温烧结，烧结温度为200～500℃。

本发明的另一个技术方案是，一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料，焊料的焊接温度为430～500℃，焊接后气密性小于10^-10Pa·m³/s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，此工艺制备的绝缘子裂纹倾向低，强度好，可靠性高，丰富了钎焊领域焊料的焊接范围，属于低温钎焊和高温烧结的过渡区，使得焊料种类更加多元化。

进一步的，不同原料按照规定比例进行调配，可以得到低熔点焊料产物，使其烧结温度达到要求，另外MK辅料的加入不仅能够增加焊料的耐酸碱度，对焊料膨胀系数的调节也有帮助，使其CTE更接近铝碳化硅，为绝缘子焊接后的可靠性奠定基础。

进一步的，原、辅料熔融态的处理目的在于打破化合物间晶界壁垒，或固溶或渗透，发生原子替换，降低熔点，使得最终产物更加均匀，性能更加稳定。

进一步的，采用低温乙醇溶液目的在于抑制晶粒增长，此工艺提供非晶条件的同时降低焊料的裂纹倾向，管壳绝缘子焊接后裂纹倾向变低，耐冲击性增强。

进一步的，球磨不仅能够使得物料更加均匀，对于颗粒粒径控制和整形也起到帮助作用，随着球磨时间提升，物料表面活化能增加，有助于提升焊料对铝碳化硅的润湿性。

进一步的，低温烧结除了稳定绝缘子尺寸形状外，最重要的目的在于提高焊料对铝碳化硅的可焊性和渗透性，增加焊接强度。

本发明铝碳化硅管壳用绝缘子焊料，可同时焊接铝碳化硅材质、铜以及可伐材质，润湿性好，焊接能力强，焊接后气密性小于10^-10Pa·m³/s满足国军标要求，另外此焊料耐酸碱性好，有利于后续管壳实施镀层工艺；此焊料的烧结温度在430～500℃，不会破坏铝碳化硅材料性能，另外，此温度区间比传统焊料的焊接温度高很多，为后续管壳芯片焊接预留更高温度梯度，使得铝碳化硅管壳应用更加广泛。

综上所述，本发明制备的焊料在常温下本身绝缘性能好，而且可以焊接金属和铝碳化硅，满足铝碳化硅管壳绝缘子直接烧结。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

本发明提供了一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料及其制备方法，将硅酸钠、锗片、五氧化二磷、三氧化二硼、氧化钼、氯化亚铜、氯化银、氧化铋、氟铝酸钾、无水碳酸钠及添加剂干燥后混合均匀，放入石英坩埚中，在1100～1600℃下熔融一定时间，取出后将其快速倒入大量-10℃乙醇溶液当中，之后收集渣料，在乙醇溶液中球磨，过滤、清洗、烘干后得到粉料A；然后向粉料A中加入自制液体进行造粒，干压成型得到空心圆柱状素坯B，将素坯B放入低温烧结炉中进行烧结，冷却后得到绝缘子焊料成品。此方法得到焊料对铝碳化硅润湿性好，能够同时焊接铝碳化硅材质、铜材质以及可伐合金，耐酸碱性好，焊接温度为430～500℃，属于低温焊料范畴，另外此焊料常温下绝缘性能好，裂纹倾向小，气密性高，特别适合于铝碳化硅管壳绝缘子焊接。

本发明一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将硅酸钠1～5％、锗片1～5％、五氧化二磷20～60％、三氧化二硼20～40％、氧化钼3～10％、氯化亚铜1～10％、氯化银1～5％、氧化铋1～10％、氟铝酸钾1～5％、无水碳酸钠1～5％、氧化钠0.1～3％、氧化铝0.1～1％、三氧化钨0.1～0.5％干燥后混合均匀，整体记为M1；

S2、将M1放入石英坩埚中，在融化炉中加热，1100～1600℃下保温0.5～5h；

S3、准备好大量-10～-30℃乙醇溶液，取出坩埚，将熔融浆料迅速倒入低温乙醇溶液当中，整个过程不超过10s；

S4、收集低温乙醇溶液中的渣料，破碎后采用氧化锆球在乙醇溶液中球磨24～72h，过滤、清洗、烘干后得到粉料M2；

S5、配制羟甲基丙基纤维素钠，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵，磷酸三丁酯混合溶液M3，羟甲基丙基纤维素钠：聚乙烯醇：十六烷基三甲基溴化铵：磷酸三丁酯的质量比为3:7:1:1，混合溶液M3的浓度为5～15％；

S6、将M3加入到M2当中进行造粒，然后干压成型得到空心圆柱状素坯M4，成型压力为2～15Mpa；

S7、将M4放入低温烧结炉中进行烧结，烧结温度为200～500℃，冷却后得到绝缘子焊料成品。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中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。通常在此处描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例1

1.将硅酸钠4％、锗片3％、五氧化二磷43％、三氧化二硼32％、氧化钼4％、氯化亚铜2％、氯化银3％、氧化铋2％、氟铝酸钾1％、无水碳酸钠2.5％、氧化钠1.5％、氧化铝0.3％、三氧化钨0.2％干燥后混合均匀，整体记为M1；

2.将M1放入石英坩埚中，在融化炉中加热，1400℃下保温3h；

3.准备好大量-10℃乙醇溶液，取出坩埚，将熔融浆料迅速倒入低温乙醇溶液当中，整个过程不超过10s；

4.收集低温乙醇溶液中的渣料，破碎后采用氧化锆球在乙醇溶液中球磨48h，过滤、清洗、烘干后得到粉料M2；

5.配制羟甲基丙基纤维素钠，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵，磷酸三丁酯混合溶液M3，浓度为10％；

6.将M3加入到M2当中进行造粒，然后干压成型得到空心圆柱状素坯M4，压力为8MPa；

7.将M4放入低温烧结炉中进行烧结，冷却后得到绝缘子焊料成品；

实施例2与实施例1的不同在于制备M1时，五氧化二磷含量为40％，氟铝酸钾2％，氧化钼5％，氧化铋3％。

实施例3与实施例1的不同在于制备M1时硅酸钠3％，氯化银2％，三氧化二硼33％，MK2.5％。

实施例4与实施例1的不同在于熔融温度为1350℃，保温4h；

实施例5与实施例1的不同在于熔融温度为1500℃，保温2.5h；

实施例6与实施例1的不同在干压过程中使用T型圆柱模具，制备的绝缘子为空心T型圆柱；

综上所述，本发明能够制备适合铝碳化硅和导电金属同时焊接的绝缘子，且绝缘子烧结温度为430～500℃，气密性好，绝缘性高，耐酸碱。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，其特征在于，将硅酸钠、锗片、五氧化二磷、三氧化二硼、氧化钼、氯化亚铜、氯化银、氧化铋、氟铝酸钾、无水碳酸钠及添加剂干燥后常温混合均匀反应得到M1，添加剂包括氧化钠、氧化铝和三氧化钨，按质量百分数计，将1～5％的硅酸钠、1～5％的锗片、20～60％的五氧化二磷、20～40％的三氧化二硼、3～10％的氧化钼、1～10％的氯化亚铜、1～5％的氯化银、1～10％的氧化铋、1～5％的氟铝酸钾、1～5％的无水碳酸钠、0.1～3％的氧化钠、0.1～1％的氧化铝和0.1～0.5％的三氧化钨干燥后混合均匀，将M1放入石英坩埚中熔融，熔融温度为1100～1600℃，保温0.5～5h，冷却后取出并将其倒入低温乙醇溶液当中，然后收集渣料，破碎后采用氧化锆球在乙醇溶液中球磨24～72h，然后经过滤、清洗、烘干后得到粉料M2，配制包括羟甲基丙基纤维素钠，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵和磷酸三丁酯的混合溶液M3，对粉料M2进行造粒，混合溶液M3的浓度为5～15％；干压成型得到空心圆柱状素坯M4，将素坯M4进行烧结，冷却后得到绝缘子焊料成品。

2.根据权利要求1所述的铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，其特征在于，乙醇溶液的温度为-10～-30℃，将熔融浆料倒入乙醇溶液中的时间不超过10s。

3.根据权利要求1所述的铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，其特征在于，羟甲基丙基纤维素钠：聚乙烯醇：十六烷基三甲基溴化铵：磷酸三丁酯的质量比为3:7:1:1。

4.根据权利要求1所述的铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，其特征在于，干压成型得到空心圆柱状素坯M4，成型压力为2～15Mpa。

5.根据权利要求1所述的铝碳化硅管壳用绝缘子焊料的制备方法，其特征在于，对M4进行低温烧结，烧结温度为200～500℃。

6.一种根据权利要求1至5中任一项所述方法制备的铝碳化硅管壳用绝缘子焊料，其特征在于，焊料的焊接温度为430～500℃，焊接后气密性小于10^-10Pa·m³/s。