CN115283774A - 一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子封装外壳材料处理技术领域，更具体地说，一种封装外壳用Cu‑Cr‑Zr合金引线的处理工艺，包括以下步骤：S1镀前固溶处理：在合金引线钎焊预镀镍之前，在氮气或真空电阻炉中进行热处理，热处理后用水淬火；S2高温钎焊：把S1处理后的合金引线进行预镀敷，完成后使用钎料对外壳和合金引线进行钎焊，使外壳各部分有效连接；S3镀后时效处理：把S2处理后的外壳在真空或保护气氛电阻炉中进行热处理，热处理后的外壳放置于保护气体中自然冷却后，进行整体镀敷。本发明通过三种工艺的组合，且固溶处理与时效处理都发生在整体镀敷之前，不会对金层可焊性和键合能力造成影响，从而可以在不影响封装外壳制造的前提下有效提高锆铜引线的抗弯强度。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装外壳材料处理技术领域，更具体地说，涉及一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺。
背景技术
随着电源芯片往大功率、小型化的方向发展，大功率芯片封装外壳的需求逐渐旺盛。在散热条件不变的情况下，外壳引线的电导率越高，组件能承载的电流也越大，传统的可伐引线因其电导率较低已经无法满足性能要求，铜芯可伐引线相比于可伐引线电导率有了较大提升，但面对逐渐增加的功率与散热要求仍捉襟见肘。
锆铜合金也称为Cr-Zr-Cu合金，是电力电子领域、尤其是大功率电子封装外壳领域的一种新兴高电导率引线。作为弥散强化铜合金，通过热处理可具有与无氧铜近似的导电系数（相对电导率77~84%IACS），远大于常用的可伐合金与铜芯可伐引线，并且相比于抗软化性能不佳的无氧铜，锆铜合金可通过适当的热处理提高其强度。
大功率封装外壳通常采用高温钎焊来实现材料连接，其钎焊温度普遍超过无氧铜与铜合金的软化温度，导致引线钎焊后强度、硬度下降。在半导体芯片焊盘与引线之间，通常使用超声键合金丝/硅铝丝实现电气连接，键合时需要给引线施加超声功率与压力，部分键合工艺还需要对键合区域进行加热。钎焊时的高温使锆铜合金引线强度下降，导致键合时常引线发生变形，键合失败，限制了锆铜引线在封装领域的进一步应用。
锆铜合金属于时效强化铜合金，是在Cu-Cr合金的基础上添加了微量Zr元素，先通过高温固溶处理使合金元素在铜中形成过饱和固溶体，随后通过时效处理使合金元素从固溶体中析出形成弥散沉淀相，这些弥散相阻止了金属的晶界和位错的移动，使合金兼顾了导电率和强度。但这种强化工艺方式并不适用于封装外壳领域，因为外壳生产过程中存在钎焊工序，高温钎焊的工艺温度一般为≥780℃，高温会导致固溶+时效处理后的锆铜合金再次软化。如果对软化后的锆铜合金在此进行固溶+时效处理，一是固溶温度通常大于780℃，会导致焊料重熔；二是固溶处理要求的淬火急冷会导致外壳中的玻璃与陶瓷材料开裂。因此需探索新的处理手段来强化锆铜合金引线以满足键合要求，一般的键合要求为能键合400μm硅铝丝。
发明内容
本发明的目的在于提供一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，以提高Cu-Cr-Zr合金引线的强度，满足实际使用的要求。
为实现上述目的，本申请提供了一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，包括以下步骤：
S1、镀前固溶处理：在合金引线钎焊预镀镍之前，在氮气或真空电阻炉中进行热处理，热处理后用水淬火；
S2、高温钎焊：把S1处理后的合金引线进行预镀敷，完成后使用钎料对外壳和合金引线进行钎焊，使外壳各部分有效连接；
S3、镀后时效处理：把S2处理后的外壳在真空或保护气氛电阻炉中进行热处理，热处理后的外壳放置于保护气体中自然冷却后，进行整体镀敷。
可选的，所述壳体包括使用Cu-Cr-Zr合金引线的一体或分体式金属或陶瓷壳体，和包含玻璃或陶瓷绝缘子、各类非金属部件的金属或陶瓷壳体。
优选的，所述S1中的热处理的加热温度为950±20℃，保温60±20min。
基于上述技术特征，对合金引线进行热处理，使合金元素Cr和Zr在铜基体中形成过饱和固溶体。
可选的，所述S2中的钎料为熔化温度在450℃以上的硬钎料。
基于上述技术特征，一般硬钎料常用Ag72Cu28，适用于铜及其合金的钎焊，有良好的导热性、导热性和流动性。
优选的，所述S3中的热处理的加热温度为450±30℃，保温3±0.5h。
基于上述技术特征，对钎焊后的半成品进行热处理，使过饱和固溶体分解，合金元素Cr和Zr以沉淀相的形式分布于铜基体中，在保持较高导电性的同时大幅提高铜合金强度。
可选的，所述S2中的合金引线钎焊预镀敷之前包括清洁合金引线表面的氧化层，所述S2中的预镀敷为对合金引线进行镀镍。
基于上述技术特征，预镀镍前清洁合金引线表面的氧化层可以在预镀镍时获得清洁的金属表面，方便进行镀镍。
优选的，所述S3中的整体镀敷包括对外壳和引线进行镀镍镀金。
基于上述技术特征，可以提高处理完成的成品抗氧化性、耐腐蚀性、焊料浸润性等能力。
本发明提供的一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过镀前固溶处理、高温钎焊、镀后时效处理三种工艺的组合，且固溶处理与时效处理都发生在整体镀敷之前，不会对金层可焊性造成影响，也不会影响键合能力，从而可以在不影响封装外壳制造的前提下有效提高锆铜引线的抗弯强度，以满足实际的使用需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关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为本发明的工艺流程图。
图2为本发明处理后400μm硅铝丝压丝结果。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图1对本发明作进一步详细说明。
参考说明书附图的图1，一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，包括以下步骤：
S1、镀前固溶处理：在合金引线钎焊预镀镍之前，在氮气或真空电阻炉中进行热处理，热处理后用水淬火；
S2、高温钎焊：把S1处理后的合金引线进行预镀敷，完成后使用钎料对外壳和合金引线进行钎焊，使外壳各部分有效连接；
S3、镀后时效处理：把S2处理后的外壳在真空或保护气氛电阻炉中进行热处理，热处理后的外壳放置于保护气体中自然冷却后，进行整体镀敷。
壳体包括使用Cu-Cr-Zr合金引线的一体或分体式金属或陶瓷壳体，和包含玻璃或陶瓷绝缘子、各类非金属部件的金属或陶瓷壳体。
S1将Cu-Cr-Zr合金引线置于电阻炉中，炉内真空或氮气保护，升温至950±20℃，保温60±20min后，取出引线用水淬火。
S2将经过S1处理的合金引线除去氧化层，然后进行预镀镍，将镀镍的合金引线与外壳的其他零部件进行钎焊，其中钎料为熔化温度在450℃以上的硬钎料，一般选用Ag72Cu28钎料，适用于铜及其合金的钎焊，有良好的导热性、导热性和流动性。
S3将钎焊完成后的半成品放入真空或保护气氛电阻炉中，升温至450±30℃，保温3±0.5h后，置于保护气体中自然冷却，冷却后的半成品进行整体镀镍镀金，可以提高处理完成的成品抗氧化性、耐腐蚀性、和焊料润湿性等能力。
选择常见的大功率TO254型封装外壳作为比较对象，以本申请的处理工艺和常规工艺进行对比，经检测得到以下数据。
参考表1，以本申请的处理工艺选取三组样品结果，常规工艺选取三组样品结果，使用万能试验机测试外壳引线的弯曲模量，对比测试数据可以观察到本发明的引线强度明显优于传统工艺，引线经本发明处理后弯曲模量得到大幅提升，可以满足400μm硅铝丝超声波键合要求，如图2。
表1
以上通过具体实施例对本发明技术方案做进一步说明，给出的例子仅是应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的一种限制。
Claims (7)
1.一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1、镀前固溶处理：在合金引线钎焊预镀镍之前，在氮气或真空电阻炉中进行热处理，热处理后用水淬火；
S2、高温钎焊：把S1处理后的合金引线进行预镀敷，完成后使用钎料对外壳和合金引线进行钎焊，使外壳各部分有效连接；
S3、镀后时效处理：把S2处理后的外壳在真空或保护气氛电阻炉中进行热处理，热处理后的外壳放置于保护气体中自然冷却后，进行整体镀敷。
2.根据权利要求1所述的一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，其特征在于：所述壳体包括使用锆铜引线的一体或分体式金属或陶瓷壳体，和包含玻璃或陶瓷绝缘子、各类非金属部件的金属或陶瓷壳体。
3.根据权利要求1所述的一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，其特征在于：所述S1中的热处理的加热温度为950±20℃，保温60±20min。
4.根据权利要求1所述的一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，其特征在于：所述S2中的钎料为熔化温度在450℃以上的硬钎料。
5.根据权利要求1所述的一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，其特征在于：所述S3中的热处理的加热温度为450±30℃，保温3±0.5h。
6.根据权利要求1所述的一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，其特征在于：所述S2中的合金引线钎焊预镀敷之前包括清洁合金引线表面的氧化层，所述S2中的预镀敷为对合金引线进行镀镍。
7.根据权利要求1所述的一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺，其特征在于：所述S3中的整体镀敷包括对外壳和引线进行镀镍镀金。
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