CN109719420A - 一种Au-Ga钎料 - Google Patents
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Abstract
一种Au‑Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：29％～31％Ga，0.001％～0.05％的Cr，0.001％～0.05％的Ca，余量为Au。使用市售的金锭、金属镓、金属铬、金属钙，按设计成分配比，将金与镓置于石墨坩埚中，在中频炉中进行熔炼，加热至约1200℃，待金与镓完全熔化成均匀液体后，用纯金箔包覆粉末状金属铬、金属钙加入，并搅拌均匀。冶炼时加入经优化筛选确定的覆盖剂。经过浇铸、轧制、裁剪，即得到需要尺寸的焊片。本发明产品可用于大功率、高集成度的电子器件封装，尤其是芯片的连接与封装。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装行业的贵金属钎料领域，具体涉及一种Au-Ga钎料。
背景技术
目前，在大功率、高集成度的电子器件封装，尤其是芯片的连接与封装行业，大量采用贵金属钎料。近几年，在IGBT产品的制造需求带动下，贵金属钎料的应用越来越广泛。目前，用于电子封装领域的贵金属钎料主要有Au-Sn、Au-Si、Au-Ge等钎料，其具有良好的润湿性和流动性、良好的导热导电性以及耐热耐蚀性，高的稳定性，低的蒸汽压，容易与半导体Si或GaAs芯片形成共晶键合，但是，其熔点均低于365℃，无法满足大功率、高集成度的电子器件封装的需要。US201414460904公开了一种Au-Ga-In 钎焊材料，其固相线温度最高只有390℃，仍然偏低。因此，急需开发出固相线温度在450℃以上的金基钎料，以满足高铁用IGBT器件制造的需要，本项发明“一种Au-Ga钎料”，即是在这种技术背景下完成的。
发明内容
本项发明的目的是提供一种具有优良的润湿铺展性能、优良的导电性和导热性，可用于大功率、高集成度的电子器件封装（如IGBT器件），尤其是芯片的连接与封装的固相线温度在450℃以上的金基钎料。为此，本项发明的一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：29％～31％Ga，0.001％～0.05％的Cr，0.001％～0.05％的Ca，余量为Au，其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃，满足了上述要求。
使用市售的金锭、金属镓、金属铬、金属钙，按设计成分配比，将金与镓置于石墨坩埚中，在中频炉中进行熔炼，加热至约1200℃，待金与镓完全熔化成均匀液体后，用纯金箔包覆粉末状金属铬、金属钙加入，并搅拌均匀。冶炼时加入经优化筛选确定的覆盖剂。经过浇铸、轧制、裁剪，即得到需要尺寸的焊片。本发明产品可用于大功率、高集成度的电子器件封装，尤其是芯片的连接与封装。
本发明的Au-Ga钎料，在冶炼时，由于纯镓的熔点为29.8℃，液态镓不易准确称量。因此，必须先将金属Ga放入冰箱冷藏保存，然后，在“固态”下准确称量Ga的配比，保证Au-Ga钎料的成分范围准确。
为保证发明的Au-Ga钎料具有优良的润湿和铺展性能，同时其固相线温度能够达到454℃，经过反复试验发现，添加0.001％～0.05％的Cr，0.001％～0.05％的Ca，能够提高Au-Ga钎料的熔化温度范围，但是，Cr、Ca的添加量不宜大于0.05%。通过对钎料成分优化，在优化后的成分范围，新发明的Au-Ga钎料各项性能指标均达到要求。
具体实施方案
本项发明主要解决的关键性问题以及创造性在于：
1）通过添加微量Ca，解决了Au-Ga钎料冶炼与钎焊时的“脱氧”问题，大大降低了Au-Ga钎料自身以及钎焊焊点中的氧含量，使得钎料中的Au、Ga元素不被氧化在钎焊时具有优良的润湿铺展性能，从而提高了钎焊焊点质量。需要特别指出的是，由于Au、Ga元素自身不易氧化，但是在应用与“高端”电子器件的制造时，即使极微量的氧含量（如氧含量≥30ppm）也会影响钎焊焊点质量。所以，必须通过添加微量的“活泼”元素Ca,以保证Au-Ga钎料及其焊点中的氧含量降低至20ppm以下。但是，Ca元素的添加量不能太多，高于0.05％后，会影响Au-Ga钎料的润湿铺展性能，使得钎焊接头抗剪强度反而下降。但是如果Ca的加入量小于0.001％，“脱氧”效果达不到预期，使得钎焊接头抗剪强度也会降低。
经过理论计算和试验验证，Ca的添加量（质量百分数）控制在0.001％～0.05％范围最佳。
2) 经过12组60个合金配方试验研究发现，在Au-Ga钎料中添加微量的高熔点元素，可以提高Au-Ga钎料的固相线、液相线温度，从而满足大功率、高集成度的电子器件封装用钎料的需要。经过成分优化和钎焊试验发现，在冶炼温度1200℃时，在Au元素中的“固溶度”可达到19%以上的高熔点元素Cr（Cr自身的熔点为1863℃），可以显著提高Au-Ga钎料的固相线、液相线温度。试验发现，添加0.001％～0.05％的Cr元素，可以将其固相线温度从449℃提高至454℃，液相线温度从456℃提高至461℃。
但是，Cr元素的添加量不能太多，高于0.05％后，会影响Au-Ga钎料的润湿铺展性能，使得钎焊接头抗剪强度反而下降。但是如果Cr的加入量小于0.001％，对Au-Ga钎料的固、液相线温度的提高不显著。
根据本发明的“Au-Ga钎料”的质量配方比，叙述本发明的具体实施方式。
实施例一
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：29％的Ga，0.05％的Cr，0.001％的Ca，余量为Au。其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为60MPa±2MPa。
实施例二
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：31％的Ga，0.001％的Cr，0.05％的Ca，余量为Au。其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为60MPa±2MPa。
实施例三
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：30％的Ga，0.01％的Cr，0.01％的Ca，余量为Au。其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为60MPa±2MPa。
实施例四
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：29.5％的Ga，0.001％的Cr，0.01％的Ca，余量为Au。其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为60MPa±2MPa。
实施例五
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：30.5％的Ga，0.01％的Cr，0.001％的Ca，余量为Au。其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为60MPa±2MPa。
对比例1
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：30.5％的Ga，0.001％的Ca，0.06％的Cr，余量为Au。其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为48MPa±3MPa。
对比例2
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：30％的Ga，0.001％的Ca，0.0009％的Cr，余量为Au。其固相线温度为449℃，液相线温度为455℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为52MPa±2MPa。
对比例3
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：29.5％的Ga，0.01％的Ca，余量为Au。其固相线温度为449℃，液相线温度为454℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为47MPa±3MPa。
对比例4
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：29.5％的Ga，0.01％的Cr，余量为Au。其固相线温度为453℃，液相线温度为459℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为50MPa±2MPa。
对比例5
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：30.5％的Ga，0.0009％的Ca，0.02％的Cr，余量为Au。其固相线温度为454℃，液相线温度为461℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为46MPa±3MPa。
对比例6
一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：30.5％的Ga，0.06％的Ca，0.02％的Cr，余量为Au。其固相线温度为453℃，液相线温度为459℃。在490℃至510℃范围，钎焊纯镍与无氧铜板（厚度均为2mm），钎焊接头抗剪强度为49MPa±2MPa。
从对比例4和对比例5还可以看出，Cr与Ca元素还具有“协同效应”。单独添加其中一种元素，Au-Ga钎料的固、液相线温度与钎焊接头抗剪强度均低于同时添加Cr与Ca元素的实施例1至实施例5。
Claims (1)
1.一种Au-Ga钎料，其化学成分按质量百分数是：29％～31％的Ga，0.001％～0.05％的Cr，0.001％～0.05％的Ca，余量为Au。
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