CN112171045A - 一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法 - Google Patents

一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112171045A
CN112171045A CN202010979440.1A CN202010979440A CN112171045A CN 112171045 A CN112171045 A CN 112171045A CN 202010979440 A CN202010979440 A CN 202010979440A CN 112171045 A CN112171045 A CN 112171045A
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite
melting point
soldering lug
thickness
welding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010979440.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112171045B (zh
Inventor
徐红艳
徐菊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Electrical Engineering of CAS
Original Assignee
Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Electrical Engineering of CAS filed Critical Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority to CN202010979440.1A priority Critical patent/CN112171045B/zh
Publication of CN112171045A publication Critical patent/CN112171045A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112171045B publication Critical patent/CN112171045B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/40—Making wire or rods for soldering or welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/17—Metallic particles coated with metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C23C28/023—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material only coatings of metal elements only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

本发明涉及一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法，包括：复合预成型焊片本体，所述本体采用Cu/Sn/Ag核壳结构粉末压制而成；所述Cu/Sn/Ag核壳结构粉末是通过对不同粒度的Cu粉先进行电镀Sn制备Cu/Sn粉末，再对Cu/Sn粉末进行溅射镀Ag处理制备得到Cu/Sn/Ag粉末；本体表面采用多层复合梯度叠层，每层复合梯度叠层的厚度由内而外逐渐增加；所述多层复合梯度叠层是采用物理气相沉积工艺对本体上下表面分别均进行第一熔点、第二熔点金属交替溅射镀层处理，完成制备，所述第一熔点温度高于第二熔点。本发明通过在预成型焊片表面制备梯度多层镀层，同时在覆铜陶瓷基板(DBC)表面电镀Sn层，在接头制备过程中采用一定的压力辅助焊接，可制备出高致密度、低接触热阻、高力学可靠性的焊接接头。

Description

一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其是涉及一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法。
背景技术
电力电子模块在电动汽车、航空航天、轨道交通等方面的使用越来越广泛。第三代宽禁带半导体如SiC，因具有高熔点、高功率密度，以及优越的导热导电性能成为替代Si芯片的最优材料，要发挥SiC芯片的优越性能，耐高温的芯片焊接材料和焊接技术是关键和制约因素。
传统的高温焊接材料包括Au-Sn，Bi-Ag-xSn-xPb、Sn-Pb-Ag。因Au、Ag贵金属成本高，焊接温度在280～330℃，影响温度敏感元器件性能；随着欧盟对Pb等有毒金属限制条令的颁布，焊Pb器件及产品逐步退出市场。虽然对电力电子产品给出了豁免期限，但高温无铅替代产品及焊接材料研发已迫在眉睫。
目前研究较多的高温无铅焊接材料包括烧结纳米银技术及Cu/Sn、Ni/Sn或Au/Sn的瞬时液相扩散焊(TLP)技术等。纳米银烧结焊接技术相比于其他几种技术具有比较优异的高温性能。但是，该技术不仅需要较高的成本，而且纳米银容易迁移导致空洞率较高，同时，其焊接工艺与传统的焊接技术不兼容，导致应用受到限制。
瞬时液相扩散焊接(TLP)技术利用低熔点金属(如Sn、In等)与两侧高熔点金属(如Cu、Ni、Au等)形成三明治结构，回流过程，低熔点金属熔化，与高熔点金属发生固液互扩散，形成完全界面金属间化合物的焊接界面。利用这种焊接技术的焊接层厚度一般小于20μm，不利于吸收因芯片及基板等系统材料热膨胀系数适配产生的热应力，难以满足电力电子器件高可靠封装的需要。中国专利CN100475996C公开了一种高温无铅焊料用组合物、生产方法及元件，该无铅高温焊料包含一种含银2wt％-18wt％、含铋98wt％-82wt％的银铋合金，具有固相线不低于262.5℃、液相线不高于400℃，但是，该无铅焊料用组合物强度和塑性较低，此焊料用普通助焊膏做成的锡膏在抗坍塌能力较差，锡珠较多等不良，不利于该无铅焊料用组合物的工业化生产和推广。CN104476007 A公开了一种高熔点无铅无卤焊锡膏及其制备方法，该焊锡膏焊料合金具有固相线温度高于260℃以上，具有强度高，塑性高，抗疲劳特性强的优点，助焊膏具有优良的防坍塌功能，该技术是一种非常具有实用前景的可与传统焊膏工艺相兼容的高温；中国专利CN101234456A公开了一种锡银金无铅焊接材料及其制备方法，其熔化温度可达到300℃，润湿性和电学性能优良，焊接效果良好，可代替传统的Sn-95％Pb焊料合金。其组成为银8～13％、金35～45％，其余为锡。贵金属用量大，成本高，焊接温度高；中国专利CN104588906 A公开了一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法，该焊膏焊接的样品使用温度可高达400℃，焊缝剪切强度高，性能稳定，但该技术仍然沿用的是焊膏，需要采用容易产生污染的丝网印刷工艺；由于焊接过程，焊接材料不能润湿铺展，因此，焊膏挥发后留下大面积的孔洞，接头疏松，影响导热效率及可靠性；中国专利CN103753049A公开一种Cu/Sn复合预成型焊片，虽然解决焊膏的挥发造成的空洞率大的问题，但依然存在韧性差、强韧性不匹配的问题，同时和芯片及基板存在非共面性，界面难以实现致密焊接，导致接触热阻大、机械性能差、可靠性低的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法，该焊片具有界面梯度叠层复合结构，材料为“第一熔点金属/第二熔点金属/第一熔点金属”，第一熔点>1000℃，第二熔点<250℃。第一熔点金属为Cu，Ag，Ni之一，第二熔点金属为Sn，In之一。厚度为5～15μm，焊接温度250-280℃，保温时间8～40min。焊接后接头接触热阻为3～6.3μΩ·cm，热导率>108W/m·℃、弹性模量：50～85GPa，接头剪切强度>80MPa，服役温度>400℃。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片，包括：
复合预成型焊片本体，以及本体上下表面的多层复合梯度叠层；所述复合预成型焊片本体采用Cu/Sn/Ag核壳结构粉末压制而成；所述Cu/Sn/Ag核壳结构粉末是通过对不同粒度的Cu粉末先进行电镀Sn制备Cu/Sn粉末，再对Cu/Sn粉末进行溅射镀Ag处理制备得到Cu/Sn/Ag核壳结构粉末；
复合预成型焊片本体表面采用多层复合梯度叠层，每层复合叠层的厚度由内而外逐渐增加；所述多层复合梯度叠层是采用物理气相沉积工艺对本体上下表面分别均进行多次第一熔点、第二熔点金属交替溅射镀层处理，完成制备，所述第一熔点温度高于第二熔点。
进一步的，将所述制得的带复合梯度叠层的预成型焊片在真空焊接炉中烧结，回流焊接初期，Sn与Cu和Ag同时生成Cu6Sn5及Ag3Sn，随着等温合金化时间的延长，Cu6Sn5转化为更致密的Cu3Sn，Ag3Sn转化为更稳定的Ag(Sn)固溶体或ζ-Ag相，Cu3Sn和Ag(Sn)固溶体或ζ-Ag界面之间致密连接，界面形成薄层纯介金属接头。
进一步的，所述Cu/Sn/Ag核壳结构粉末，Sn镀层由电镀工艺制备，电镀电流为0.25A，搅拌周期为15～30min，电镀时间为1.5～3h；厚度为2～3μm；Ag镀层由物理气相沉积工艺制备，Ag靶的溅射功率为200～600W，粉末搅拌速率为10～50r/min，厚度为300～500nm。
进一步的，复合预成型焊片本体采用模具压制而成，压力：10～30MPa，保压时间：5～10min，预成型焊片厚度为100～350μm。
进一步的，所述复合预成型焊片本体的上、下表面多层复合梯度叠层，均采用“第一熔点金属/第二熔点金属/第一熔点金属”的“三明治”结构单元循环交替，所述第一熔点金属为Ag、Cu、或Ni，所述第二熔点金属为Sn或In；上、下表面复合叠层厚度由本体向外，复合叠层厚度逐渐增加，所述复合叠层为“Ag/Sn/Ag”或“Cu/Sn/Cu”结构单元，上表面的多层复合梯度叠层为靠近芯片侧的“Ag/Sn/Ag”复合梯度梯度叠层，下表面的多层复合梯度叠层为靠近基板侧“Cu/Sn/Cu”复合梯度叠层；上、下表面复合梯度叠层的最内侧复合叠层厚度<1μm，最外侧复合叠层厚度为2～3μm，每一复合叠层厚度比前一复合叠层厚度增加60～150nm，成梯度增加趋势，上、下复合叠层总厚度均为5～15μm。
进一步的，用于基板焊接时，焊接基板采用单面电镀第二熔点金属，所述第二熔点金属为Sn或In；第二熔点层厚度为2～3μm，接头焊接温度200～250℃，保温时间8～40min；焊接过程采用压力辅助方式，压力为：50～150KPa。
根据本发明的另一方面，还提出一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片的制造方法，包括如下步骤：
步骤(1)、将不同粒径Cu颗粒的核壳结构复合粉末混合后压制成预成型焊片，焊片厚度为100～350μm；所述核壳结构为Cu/Sn/Ag；
步骤(2)、将步骤(1)制备的预成型焊片放置于磁控溅射设备腔室，工作真空度为1x10-3Pa，开启第一熔点金属靶材，所述第一熔点金属靶材为Cu、Ag或Ni，预成型焊片转速为10～50r/min，溅射功率为200～600W，溅射时间60～90min，得到双面均匀的第一熔点镀层，厚度为350～1000nm；
步骤(3)将步骤(2)中的第一熔点靶材更换成第二熔点金属靶材，所述第二熔点金属靶材为Sn或In，溅射功率降低为50～150W，预成型焊片转速为20～40r/min，溅射时间10～30min，得到具有双面第二熔点镀层的Preform，厚度为300～1000nm；从而在双面均形成第一层复合叠层；
步骤(4)将步骤(3)得到的表面分别均镀有一层第一熔点和第二熔点金属的预成型焊片，重复步骤(2)和(3)的一组操作，重复次数为10～20次，每组厚度递增60～150nm，得到多层复合梯度镀层，总厚度为10～20μm。
进一步的，包括如下步骤：
在对所述的复合预成型焊片与基板焊接前，对基板进行单面电镀第二熔点金属处理，厚度为2～3μm，在50～150KPa的压力下于真空焊接炉中进行低温固相扩散焊接或瞬态液相扩散焊接，焊接温度为250～280℃；通过第二熔点金属与第一熔点金属发生扩散反应，使得第二熔点金属完全转化为耐高温的界面金属间化合物，包括Cu3Sn和Ag3Sn，制备出本体相为界面金属间化合物包覆高熔点金属的三维网络结构，界面为纯金属间化合物，厚度为10～15μm。
进一步的，包括如下步骤：扩散焊接时，将单面镀第二熔点基板-预成型焊片放置在石墨陶瓷加热板上，在真空或惰性气体气氛中，施加50～150KPa的压力，于250℃～280℃下回流焊接8～40min，随炉冷却，焊接结束后，焊接接头焊接后接头接触热阻为3～6.3μΩ·cm，热导率>108W/m·℃、弹性模量：50～85GPa，接头剪切强度>80MPa，服役温度>400℃，综合性能优于高铅合金焊料。能广泛应用于耐高温环境的电力电子封装。
进一步的，所述预成型焊片焊接后，在250℃下时效200h后接头组织依然致密，主要物相为第一熔点金属和界面金属间化合物，接头耐温性大于400℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的双核焊片实现了焊料合金化与焊接过程的统一，且为无铅锡基焊片，环保、工艺简单、成本低。
2)本发明双核焊接粉末的制备方法，采用金属电镀和物理气相沉积工艺，不需要金属熔融成合金再雾化的方式，不仅使得制备方法简单，而且有助于降低焊接温度，当焊片达到Sn的熔点即可实现扩散焊接。
3)本发明的双核高温焊片采用的原材料Cu、Sn、Ag，相较于烧结Ag和Ag/Sn/Ag瞬态液相焊接，Ag含量低，成本低、导电导热性能优异，且Sn和Ag镀层延展性好，从而使Cu/Sn/Ag复合焊片易于成型，并且在焊接过程使Cu颗粒间通过界面金属间化合物实现致密连接。
4)用本发明的低温焊接、高温服役双核焊片焊接金属材料时，焊接瞬间有液相金属Sn产生，焊接结束时Sn层完全转化为复合金属间化合物，形成Cu3Sn/Ag3Sn强化Cu颗粒的三维网络结构接头，实现了接头的强度和韧性的统一，Cu3Sn和Ag3Sn熔点分别为676℃和480℃，从而使得接头耐温大于400℃，保障了接头的耐高温可靠性。
5)本发明预成型焊片表面的复合叠层结构解决了焊片与芯片和基板的非共面性问题，实现了界面的致密连接，接头剪切强度>80MPa，高于烧结纳米Ag(10～50MPa)和高铅合金焊料(～15MPa)。
6)本Cu/Sn/Ag双核焊片特别适用于电力电子领域耐高温高可靠性电子元器件封装。
附图说明
图1焊接前后Cu/Sn/Ag体系物相结构演变示意图；
图2焊接前后“芯片/Preform/覆Cu陶瓷基板”本体相及界面结构演变示意图；
图3本发明Cu/Sn/Ag焊片本体微观组织形貌；
图4双核Cu/Sn/Ag与单核Cu/Sn焊料接头剪切强度与弹性模量对比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种电力电子用复合梯度叠层结构预成型焊片，针对不同粒度的Cu粉进行电镀Sn制备Cu/Sn粉末，对Cu/Sn粉末进行溅射镀Ag处理制备Cu/Sn/Ag粉末，通过压片处理制备Cu/Sn/Ag预成型焊片Preform，采用物理气相沉积工艺对Preform上下表面分别均进行“Ag/Sn/Ag”和“Cu/Sn/Cu”复合叠层结构单元进行交替溅射处理，完成制备。
焊接前后表面梯度叠层预成型焊片Preform本体相物相结构演变示意图，如图1所示，回流焊接初期，Sn与Cu和Ag同时生成Cu6Sn5及Ag3Sn，随着等温合金化时间的延长，Cu6Sn5转化为更致密的Cu3Sn，如图2-3所示，焊接后本体相由复合粉末转变为界金属包覆Cu颗粒的三维网络结构，其本征性能和焊接前的粉末完全不同，这一点不同于合金焊料。梯度叠层结构焊接界面在回流焊接过程中也发生了物相转变，形成薄层纯介金属接头Cu3Sn或Ag3Sn层，实现了接头的致密冶金结合，进一步提高了焊接接头的热导率、降低了界面接触热阻。
实施例1
采用粒度为5～10μm与10～15μm的铜粉，分别均进行电镀Sn镀层和物理气相沉积Ag镀层制备，按照3:2的比例进行粒度级配，将级配后的粉末置于高速球磨机中，在100r/min速率下机械混合1h，得到均匀混合复合粉末。
称取上述混合粉体0.13g，在压力为10MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间10min，得到厚度为345μm的焊片。将上述制得的预成型焊片Preform通过磁控溅射制备上下表面复合梯度镀层，焊接芯片的一面为“Ag/Sn/Ag”的重复结构单元，焊接基板的一面为“Cu/Sn/Cu”重复结构单元，各结构单元厚度由Preform向芯片方向或基板方向逐渐增厚，最内侧结构单元厚度为800nm，递增厚度梯度为80～100nm，重复结构单元数为15，总厚度均为10～12μm，得到带梯度复合镀层结构的预成型焊片。
需要说明的是，本发明所称的镀层，也即叠层，两者同等含义。
将上述制得的带复合梯度镀层结构的预成型焊片在250℃下于真空焊接炉中烧结，低温的Sn熔化瞬间分别于Cu和Ag发生固液扩散反应生成Cu6Sn5与Ag3Sn界面金属间化合物，8分钟回流结束后，Sn镀层全部转化为界面金属间化合物，回流前后本体物相转变过程示意图如图1所示。
实施例2
采用粒度为5～10μm与15～20μm的铜粉，分别均进行电镀Sn和溅射Ag镀层制备，按照3:1的比例进行粒度级配，将级配后的粉末置于高速球磨机中，在200r/min速率下机械混合2h，得到均匀混合复合粉末。
称取上述混合粉体0.13g，在压力为15MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间10min，得到厚度为300μm的焊片。将上述制得的预成型焊片Preform通过磁控溅射制备上下表面梯度复合叠层结构分别为“Ag/Sn/Ag”g和“Cu/Sn/Cu”，最内侧结构单元厚度为600nm，递增厚度梯度为120nm，重复结构单元数为10，总厚度均14μm。
将上述制得的带梯度复合镀层结构的预成型焊片在260℃下于真空焊接炉中烧结，低温的Sn熔化瞬间分别于Cu和Ag发生固液扩散反应生成Cu6Sn5与Ag3Sn界面金属间化合物，12分钟回流结束后，Sn镀层全部转化为界面金属间化合物，焊接前后“芯片/Preform/覆Cu陶瓷基板”本体相及界面结构演变示意图如图2所示，本体相由Cu/Sn/Ag粉末转变为Cu/IMCs(Cu3Sn/Ag3Sn/Cu3Sn)，界面由叠层复合材料转变为薄层纯金属间化合物IMCs，上界面为Ag3Sn，下界面为Cu3Sn。避免了因焊接材料的表面粗糙度不同而导致的虚焊问题，实现了本体相与芯片及覆Cu板的致密结合。
实施例3
采用粒度为5～15μm与15～30μm的铜粉，分别均进行电镀Sn和溅射Ag镀层制备，按照3:1的比例进行粒度级配，将级配后的粉末置于高速球磨机中，在500r/min速率下机械混合1h，得到均匀混合复合粉末。
称取上述混合粉体0.13g，在压力为10MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间5min，得到厚度为200μm的焊片。将上述制得的Preform通过磁控溅射制备上下表面梯度复合镀层结构分别为“Ag/Sn/Ag”和“Cu/Sn/Cu”，最内侧结构单元厚度为500nm，递增厚度梯度为150nm，重复结构单元数为12，总厚度均为15μm。
将上述制得的带梯度复合镀层结构的预成型焊片在270℃下于真空焊接炉中烧结，18分钟回流结束后，低温的Sn熔化瞬间分别于Cu和Ag发生固液扩散反应生成Cu6Sn5与Ag3Sn界面金属间化合物，Sn镀层全部转化为界面金属间化合物，焊接前后“芯片/Preform/覆Cu陶瓷基板”本体相及界面结构演变示意图如图2所示。
实施例4
采用粒度为5～15μm、15～30μm与30～50μm的铜粉，分别均进行电镀Sn和溅射Ag镀层制备，按照3:2:1的比例进行粒度级配，将三种级配后的粉末置于高速球磨机中，在150r/min速率下机械混合1.5h，得到均匀混合复合粉末。
称取上述混合粉体0.13g，在压力为12MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间8min，得到厚度为150μm的焊片；将上述制得的Preform通过磁控溅射制备上下表面梯度复合镀层结构分别为“Ag/Sn/Ag”和“Cu/Sn/Cu”最内侧结构单元厚度为900nm，递增厚度梯度为130nm，重复结构单元数为20，总厚度均为18μm。
将上述制得的焊片在280℃下于真空焊接炉中烧结，30分钟回流结束后，低温的Sn分别于Cu和Ag发生固液扩散反应生成Cu3Sn与Ag3Sn界面金属间化合物，Sn镀层全部转化为界面金属间化合物，其焊接接头剪切强度53MPa，本体相弹性模量为68GPa，与Cu/Sn两元体系的力学性能对比结果如图4所示，Cu/Sn体系的弹性模量为85.7GPa，接头剪切强度为80MPa,本发明通过在Cu/Sn颗粒外添加Ag镀层，接头剪切强度略有减低，依然高于高铅焊接的～15MPa和低温烧结纳米银的10～50MPa,有效降低了接头的弹性模量，增加了接头的延展性。
实施例5
采用粒度为5～15μm、15～30μm与30～50μm的铜粉，分别均进行电镀Sn和溅射Ag镀层制备，按照1:2:3的比例进行粒度级配，将三种级配后的粉末置于高速球磨机中，在150r/min速率下机械混合1.5h，得到均匀混合复合粉末。
称取上述混合粉体0.13g，在压力为12MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间8min，得到厚度为150μm的焊片；将上述制得的Preform通过磁控溅射制备上下表面梯度复合镀层结构分别为“Ag/Sn/Ag”和“Cu/Sn/Cu”，最内侧结构单元厚度为800nm，递增厚度梯度为100nm，重复结构单元数为20，总厚度均为20μm。
将上述制得的焊片在280℃下于真空焊接炉中烧结，35分钟回流结束后，低温的Sn分别于Cu和Ag发生固液扩散反应生成Cu3Sn与Ag(Sn)界面金属间化合物，Sn镀层全部转化为界面金属间化合物，其焊接接头剪切强度52MPa，本体相弹性模量为64GPa，未超出实施例4中剪切强度和弹性模量±2％的误差范围。
实施例6
采用粒度为5～15μm、15～30μm与30～50μm的铜粉，分别均进行电镀Sn和溅射Ag镀层制备，按照1:2:3的比例进行粒度级配，将三种级配后的粉末置于高速球磨机中，在150r/min速率下机械混合1.5h，得到均匀混合复合粉末。
称取上述混合粉体0.13g，在压力为10MPa的压力机上进行高压压片，恒压时间5min，得到厚度为150μm的焊片；将上述制得的Preform通过磁控溅射制备上下表面梯度复合镀层结构分别为“Ag/Sn/Ag”和“Cu/Sn/Cu”，最内侧结构单元厚度为800nm，递增厚度梯度为80nm，重复结构单元数为15，总厚度均为15μm。
将上述制得的焊片在280℃下于真空焊接炉中烧结，40分钟回流结束后，低温的Sn分别于Cu和Ag发生固液扩散反应生成Cu3Sn与Ag(Sn)/ζ-Ag界面金属间化合物，Sn镀层全部转化为界面金属间化合物，其焊接接头剪切强度55MPa，本体相弹性模量为66GPa，未超出实施例4中接头剪切强度和弹性模量±2％的误差范围。
传统的焊片，因具有和基板及芯片不同的表面粗糙度导致焊接界面的非共面性问题，难以实现致密连接，制备的接头界面接触热阻过大，影响接头可靠性。本发明采用的Cu/Sn/Ag复合预成型焊片，通过在预成型焊片表面制备梯度多层镀层，同时在覆铜陶瓷基板(DBC)表面电镀Sn层，在接头制备过程中采用一定的压力辅助焊接，可制备出高致密度、低接触热阻、高力学可靠性的焊接接头，梯度多层镀层为Ag/Sn/Ag或Cu/Sn/Cu叠层结构，上下表面叠层结构厚度由Preform至芯片或基板镀层厚度逐渐增加，内层厚度约为～1μm，外层厚度为2～3μm，每一叠层厚度增加60～150nm，上下叠层厚度均为5～15μm，各层材料采用物理气相沉积的方法制备。铜陶瓷基板(DBC)表面的镀Sn层厚度为2～3μm。焊接过程辅助压力为50～200KPa。该接头广泛应用于高温等特殊环境中的电力电子器件封装。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片，其特征在于，包括：
复合预成型焊片本体，以及本体上下表面的多层复合梯度叠层；所述复合预成型焊片本体采用Cu/Sn/Ag核壳结构粉末压制而成；所述Cu/Sn/Ag核壳结构粉末是通过对不同粒度的Cu粉末先进行电镀Sn制备Cu/Sn粉末，再对Cu/Sn粉末进行溅射镀Ag处理制备得到Cu/Sn/Ag核壳结构粉末；
复合预成型焊片本体表面采用多层复合梯度叠层，每层复合叠层的厚度由内而外逐渐增加；所述多层复合梯度叠层是采用物理气相沉积工艺对本体上下表面分别均进行多次第一熔点、第二熔点金属交替溅射镀层处理，完成制备，所述第一熔点温度高于第二熔点。
2.根据权利要求1所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片，其特征在于，
将所述制得的带复合梯度叠层的预成型焊片在真空焊接炉中烧结，回流焊接初期，Sn与Cu和Ag同时生成Cu6Sn5及Ag3Sn，随着等温合金化时间的延长，Cu6Sn5转化为更致密的Cu3Sn，Ag3Sn转化为更稳定的Ag(Sn)固溶体或ζ-Ag相，Cu3Sn和Ag(Sn)固溶体或ζ-Ag界面之间致密连接，界面形成薄层纯介金属接头。
3.根据权利要求1所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片，其特征在于，
所述Cu/Sn/Ag核壳结构粉末，Sn镀层由电镀工艺制备，电镀电流为0.25A，搅拌周期为15～30min，电镀时间为1.5～3h；厚度为2～3μm；Ag镀层由物理气相沉积工艺制备，Ag靶的溅射功率为200～600W，粉末搅拌速率为10～50r/min，厚度为300～500nm。
4.根据权利要求1所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片，其特征在于，复合预成型焊片本体采用模具压制而成，压力：10～30MPa，保压时间：5～10min，预成型焊片厚度为100～350μm。
5.根据权利要求1所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片，其特征在于，
所述复合预成型焊片本体的上、下表面多层复合梯度叠层，均采用“第一熔点金属/第二熔点金属/第一熔点金属”的“三明治”结构单元循环交替，所述第一熔点金属为Ag、Cu、或Ni，所述第二熔点金属为Sn或In；上、下表面复合叠层厚度由本体向外，复合叠层厚度逐渐增加，所述复合叠层为“Ag/Sn/Ag”或“Cu/Sn/Cu”结构单元，上表面的多层复合梯度叠层为靠近芯片侧的“Ag/Sn/Ag”复合梯度梯度叠层，下表面的多层复合梯度叠层为靠近基板侧“Cu/Sn/Cu”复合梯度叠层；上、下表面复合梯度叠层的最内侧复合叠层厚度<1μm，最外侧复合叠层厚度为2～3μm，每一复合叠层厚度比前一复合叠层厚度增加60～150nm，成梯度增加趋势，上、下复合叠层总厚度均为5～15μm。
6.根据权利要求1所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片，其特征在于，用于基板焊接时，焊接基板采用单面电镀第二熔点金属，所述第二熔点金属为Sn或In；第二熔点层厚度为2～3μm，接头焊接温度200～250℃，保温时间8～40min；焊接过程采用压力辅助方式，压力为：50～150KPa。
7.一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、将不同粒径Cu颗粒的核壳结构复合粉末混合后压制成预成型焊片，焊片厚度为100～350μm；所述核壳结构为Cu/Sn/Ag；
步骤(2)、将步骤(1)制备的预成型焊片放置于磁控溅射设备腔室，工作真空度为1x10- 3Pa，开启第一熔点金属靶材，所述第一熔点金属靶材为Cu、Ag或Ni，预成型焊片转速为10～50r/min，溅射功率为200～600W，溅射时间60～90min，得到双面均匀的第一熔点镀层，厚度为350～1000nm；
步骤(3)将步骤(2)中的第一熔点靶材更换成第二熔点金属靶材，所述第二熔点金属靶材为Sn或In，溅射功率降低为50～150W，预成型焊片转速为20～40r/min，溅射时间10～30min，得到具有双面第二熔点镀层的Preform，厚度为300～1000nm；从而在双面均形成第一层复合叠层；
步骤(4)将步骤(3)得到的表面分别均镀有一层第一熔点和第二熔点金属的预成型焊片，重复步骤(2)和(3)的一组操作，重复次数为10～20次，每组厚度递增60～150nm，得到多层复合梯度镀层，总厚度为10～20μm。
8.根据权利要求7所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
在对所述的复合预成型焊片与基板焊接前，对基板进行单面电镀第二熔点金属处理，厚度为2～3μm，在50～150KPa的压力下于真空焊接炉中进行低温固相扩散焊接或瞬态液相扩散焊接，焊接温度为250～280℃；通过第二熔点金属与第一熔点金属发生扩散反应，使得第二熔点金属完全转化为耐高温的界面金属间化合物，包括Cu3Sn和Ag3Sn，制备出本体相为界面金属间化合物包覆高熔点金属的三维网络结构，界面为纯金属间化合物，厚度为10～15μm。
9.根据权利要求7所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
扩散焊接时，将单面镀第二熔点基板-预成型焊片放置在石墨陶瓷加热板上，在真空或惰性气体气氛中，施加50～150KPa的压力，于250℃～280℃下回流焊接8～40min，随炉冷却，焊接结束后，焊接接头焊接后接头接触热阻为3～6.3μΩ·cm，热导率>108W/m·℃、弹性模量：50～85GPa，接头剪切强度>80MPa，服役温度>400℃。
10.根据权利要求7所述的一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片的制造方法，其特征在于，
所述预成型焊片焊接后，在250℃下时效200h后接头组织依然致密，物相包括第一熔点金属和界面金属间化合物，接头耐温性大于400℃。
CN202010979440.1A 2020-09-17 2020-09-17 一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法 Active CN112171045B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010979440.1A CN112171045B (zh) 2020-09-17 2020-09-17 一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010979440.1A CN112171045B (zh) 2020-09-17 2020-09-17 一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112171045A true CN112171045A (zh) 2021-01-05
CN112171045B CN112171045B (zh) 2022-01-18

Family

ID=73921575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010979440.1A Active CN112171045B (zh) 2020-09-17 2020-09-17 一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112171045B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113102914A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 浙江机电职业技术学院 一种高强度耐老化复合焊料片及其制备方法
CN113751922A (zh) * 2021-10-11 2021-12-07 中国科学院电工研究所 一种无铅焊料及其制备方法和应用
CN113894460A (zh) * 2021-04-19 2022-01-07 江苏博睿光电有限公司 自蔓延钎焊薄膜及其制备方法
CN115870667A (zh) * 2022-12-26 2023-03-31 中国科学院电工研究所 200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料、制备方法及接头制备方法
CN116900545A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 北京理工大学 用于快速瞬态液相连接的微合金化叠层焊片及其制备方法
CN117300433A (zh) * 2023-09-28 2023-12-29 汕尾市栢林电子封装材料有限公司 一种可控焊缝厚度的焊片及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6286206B1 (en) * 1997-02-25 2001-09-11 Chou H. Li Heat-resistant electronic systems and circuit boards
US20060068216A1 (en) * 2004-09-30 2006-03-30 Fay Hua Nano-sized metals and alloys, and methods of assembling packages containing same
CN202240181U (zh) * 2011-09-08 2012-05-30 北京市半导体器件六厂 三层金属复合焊片
US20160108204A1 (en) * 2014-10-17 2016-04-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Transient Liquid Phase Compositions Having Multi-Layer Particles
CN106001980A (zh) * 2016-06-15 2016-10-12 中国科学院电工研究所 一种电力电子模块封装用高温无铅焊片及其制备方法
CN107695559A (zh) * 2017-10-18 2018-02-16 贵研铂业股份有限公司 一种银基复合钎料箔材及其制备方法
CN109175772A (zh) * 2018-09-14 2019-01-11 中国科学院电工研究所 一种Cu@Ni@Sn预成型焊片及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6286206B1 (en) * 1997-02-25 2001-09-11 Chou H. Li Heat-resistant electronic systems and circuit boards
US20060068216A1 (en) * 2004-09-30 2006-03-30 Fay Hua Nano-sized metals and alloys, and methods of assembling packages containing same
CN202240181U (zh) * 2011-09-08 2012-05-30 北京市半导体器件六厂 三层金属复合焊片
US20160108204A1 (en) * 2014-10-17 2016-04-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Transient Liquid Phase Compositions Having Multi-Layer Particles
CN106001980A (zh) * 2016-06-15 2016-10-12 中国科学院电工研究所 一种电力电子模块封装用高温无铅焊片及其制备方法
CN107695559A (zh) * 2017-10-18 2018-02-16 贵研铂业股份有限公司 一种银基复合钎料箔材及其制备方法
CN109175772A (zh) * 2018-09-14 2019-01-11 中国科学院电工研究所 一种Cu@Ni@Sn预成型焊片及其制备方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113102914A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 浙江机电职业技术学院 一种高强度耐老化复合焊料片及其制备方法
CN113102914B (zh) * 2021-04-15 2022-06-28 浙江机电职业技术学院 一种高强度耐老化复合焊料片及其制备方法
CN113894460A (zh) * 2021-04-19 2022-01-07 江苏博睿光电有限公司 自蔓延钎焊薄膜及其制备方法
CN113751922A (zh) * 2021-10-11 2021-12-07 中国科学院电工研究所 一种无铅焊料及其制备方法和应用
CN115870667A (zh) * 2022-12-26 2023-03-31 中国科学院电工研究所 200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料、制备方法及接头制备方法
CN116900545A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 北京理工大学 用于快速瞬态液相连接的微合金化叠层焊片及其制备方法
CN116900545B (zh) * 2023-09-13 2023-12-08 北京理工大学 用于快速瞬态液相连接的微合金化叠层焊片及其制备方法
CN117300433A (zh) * 2023-09-28 2023-12-29 汕尾市栢林电子封装材料有限公司 一种可控焊缝厚度的焊片及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112171045B (zh) 2022-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112171045B (zh) 一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法
CN109175772B (zh) 一种Cu@Ni@Sn预成型焊片及其制备方法
Liu et al. Low temperature solid-state bonding using Sn-coated Cu particles for high temperature die attach
US20140234649A1 (en) Layered composite of a substrate film and of a layer assembly comprising a sinterable layer made of at least one metal powder and a solder layer
EP1582287A1 (en) Soldered material, semiconductor device, method of soldering, and method of manufacturing semiconductor device
WO2010114874A2 (en) Conductive compositions containing blended alloy fillers
CN107350655B (zh) 一种铜/锡纳米复合粉末活性焊料及其制备方法
CN112157257B (zh) 一种强韧一体性Cu/Sn/Ag焊接材料原位增韧方法
CN112440025B (zh) 用于电子器件的双面微纳复合预成型焊片及低温互连方法
Gao et al. Interfacial transformation of preoxidized Cu microparticles in a formic-acid atmosphere for pressureless Cu–Cu bonding
WO2002062519A1 (en) Transient eutectic phase process for ceramic-metal bonding, metallilzation, and compositing
CN112192085A (zh) 一种复合焊料预成型片及其制备方法、及封装方法
CN106001980A (zh) 一种电力电子模块封装用高温无铅焊片及其制备方法
Nguyen et al. Enhancement of bonding strength in BiTe-based thermoelectric modules by electroless nickel, electroless palladium, and immersion gold surface modification
CN113894460B (zh) 自蔓延钎焊薄膜及其制备方法
Liu et al. Effects of Ag shell on electrical, thermal and mechanical properties of Cu@ Ag composite solder preforms by electromagnetic compaction for power electronics
JP2006100739A (ja) 接合体、半導体装置、接合方法及び半導体装置の製造方法
Yu et al. Fabrication of high-temperature-resistant bondline based on multilayer core–shell hybrid microspheres for power devices
Zhang et al. Fabrication of Cu@ Sn TLPS joint for high temperature power electronics application
CN113751922A (zh) 一种无铅焊料及其制备方法和应用
CN111843288A (zh) 一种高熔点Ti-Zr-Cu-Ni合金钎焊料
Liu et al. High-reliability bonding by nano-silver paste with tin addition for high temperature electronic
CN111885852A (zh) 一种陶瓷覆铜板的制备方法
Xu et al. Microstructure and mechanical characteristics of a novel Cu/Cu 3 Sn joint with Cu/Sn preform
CN112191968B (zh) 一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant