CN107322178A - 一种用于功率器件封装的新型钎料 - Google Patents

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班高放
刘洋
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Abstract

一种用于功率器件封装的复合钎料，本发明涉及一种新型复合钎料的成分设计并对新型钎料进行初选和优选，本发明要解决目前功率器件封装中应用80Au‑20Sn钎料成本过高的问题，在相对较低温度可以替代80Au‑20Sn,新型钎料成本比80Au‑20Sn降低99.9%以上，其主要特点是比常用SAC305耐高温性能好，本钎料由0.10%～0.50%的Ag、0.10%～2.00%的Cu、0.10%～0.50%的Ni、2.00%～5.00%的Sb和余量的Sn组成，本发明以Sn‑Sb合金为基体，通过添加合金元素（Cu，Ag，Ni），采用熔炼的方法制得钎料，本钎料熔点为237℃～244℃，焊接性和力学性能良好，本发明制备的复合钎料可用于表面镀金、镀镍铜盘之间的焊接。

Description

一种用于功率器件封装的新型钎料
技术领域
本发明涉及几种新型复合钎料的成分设计。
背景技术
以Si和GaAs为代表的传统半导体材料的发展推动了光电子、微电子的迅猛发展，然而由于材料性能的局限性，第一代、第二代半导体材料不足以满足现代电子技术发展对高温、高频、高压以及抗辐射等材料性能提出的新要求，而以SiC、GaN为代表的第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速率高及抗辐射能力强等性能，使其在光电器件、高频大功率、高温电子器件等方面倍受青睐。
80Au-20Sn钎料是人们研究较早的高温钎料。80Au-20Sn合金为二元共晶成分，共晶点为280℃。钎焊温度比较适中，满足高温钎料的熔化温度要求。Au基合金强度高、导电和导热性优良，耐蚀性强，焊接时可以不需要助焊剂，保证芯片的清洁。但Au基合金较硬、抗拉强度高、伸长率较低、可加工性差，难以加工成线材或带材。而且互连接头在较高温度下服役时，由于硬度高使其接头难以发生塑性变形，易使接头产生的热应力直接传递到芯片等电子元件上，严重时可导致芯片等元件的失效。最为重要的是Au基合金成本太高，因此适用场合极为有限。名称为“锡-锑-银-镍合金态箔状钎料及其制备方法(专利申请号：CN201010623783.0，申请日：2010.12.31)”的专利提出了一种用于集成电路的气密性封装焊料，其组成及质量百分比为：锑，8-11%、银，3-20%；名称为“高温无铅焊料合金 (专利申请号：CN201280007265.3，申请日：2012.08.08)”的专利提出了一种高温无铅封装焊料，其组成及质量百分比为：锑，35-40%、银，13-18%、Cu，6-8%、锡，余量。该钎料的熔点高达299-337℃，在280℃钎料的固相率为100%。但该焊料脆性高适用场合有限。名称为“一种SnAgCuNi系无铅焊锡合金(中国专利号：CN200710041687.3，申请日：2007.6.6)”的专利提出了一种SnAgCuNi系无铅焊锡合金，其组成及质量百分比为：1.5-2.5%的Ag、0.1-0.8%的Cu、0.01-0.5%的Ni、0.001-0.1%的P、0-0.01%的Bi，该钎料中熔点为220℃左右，不能满足第三代半导体功率器件封装的温度要求。
发展替代或部分替代Au基钎料的新型钎料及其他互连工艺已成为业界的迫切需要并具有重要的现实意义。Sn-Sb系合金由于Sn-Sb（Sb≦10%）合金熔化区间较窄（232～243℃），并且与现有焊料兼容性良好、力学性能优良，而成本大大低于Au-Sn合金，因而作为高温无铅候选材料备受关注。为进一步提高钎料性能，通过添加其他的金属元素，对Sn-Sb系合金进行改性，使其焊点在服役过程中具有较高的可靠性。
发明内容
本发明目的是为了解决现有功率器件连接高温钎料可加工差，成本过高的问题，而提供一种在相对较低温度可以替代现有Au基合金钎料的新型钎料。新钎料成本仅为SAC305钎料成本的一半左右，Au80Sn20钎料成本的0.1%以下。
新型钎料以Sn-Sb合金为基体，通过添加合金元素制成。实验采用 Sn-Sb、SnCu、Sn-Ag、Sn-Ni 中间合金的形式进行熔炼.本发明的高温钎料按照质量百分比由以下成分组成Sb含量为2～5%、Cu含量为0.1～2%、Ni含量为0.1～0.5%、Ag含量为0.1～0.5%，其余为Sn。
本发明钎料是由原料在石英管中在氩气的保护气氛下经高频感应加热仪加热熔炼而成，熔炼成的块体合金可以经线切割制成片状钎料，也可以制成粉料或者焊膏。
本发明是由以下技术方案实现的:一种用于功率器件焊接的无铅钎料，钎料的成分百分比为：Sb含量为2～5%;Cu含量为0.1～2%;Ni含量为0.1～0.5%;余量为锡(Sn)。上述方案优化了Cu，Ag，Ni的组分，得到了润湿性良好，剪切强度较高的高温钎料。
本发明的机理是：添加Ag和Cu能明显改善钎料的润湿性，提高导热性，导电性。添加Sb可以提高钎料的熔点。添加Ni细化焊点体钎料的微观组织，提高焊点的综合力学性能。
本发明可以采用常规生产钎料的冶炼方法得到，本发明优先采用的方法是：根据设计的成分配比按照Sn锭和Sn-Sb合金、Sn-Cu和Sn-Ag、Sn-Ni合金的顺序依次加入，在高纯氩气的保护气氛中熔炼，熔炼结束后倒在铝制模具上冷却。
本发明的优点：钎料成本低，强度高，焊接性优良。
附图说明
图 1：表1不同实施例(1、2、3、4)的基本性能。
图2：具体实施例1 钎料Sn-3Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.1Ag/Cu 焊点界面 IMC 的线扫描EDX 分析。
图3：为表1中不同实施例(1、2、3、4)的铺展率。
图4：为表1中不同实施例(1、2、3、4)的剪切强度。
下面结合附图1-4通过4个实施例进一步对本发明进行阐述。
下述4个实施例所使用的材料均为Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金，方法为根据设计的成分配比按照Sn锭和Sn-Sb合金、Sn-Cu和Sn-Ag、Sn-Ni合金的顺序依次加入，在高纯氩气的保护气氛中熔炼，熔炼结束后倒在铝制模具上冷却。通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材，也可将新钎料制备成焊膏使用。
实施例1
用于功率器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Sb3％，Cu0.5％，Ni0.1％，Ag0.1％，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度229.67℃，液相线温度在240.55℃(考虑了试验误差)，铺展率66.618％，剪切强度72.2Mpa。
实施例2
用于功率器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Sb3％，Cu1％，Ni0.3％，Ag0.3％，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度220.03℃，液相线温度在238.48℃(考虑了试验误差)，铺展率67.652％，剪切强度74.07Mpa。
实施例3
用于功率器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Sb3％，Cu2％，Ni0.5％，Ag0.5％，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度220.62℃，液相线温度在237.51℃(考虑了试验误差)，铺展率68.750％，剪切强度75.349Mpa。
实施例4
用于功率器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Sb5％，Cu1％，Ni0.1％，Ag0.5％，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度222.27℃，液相线温度在240.55℃(考虑了试验误差)，铺展率69.185％，剪切强度77.34Mpa。
本实施方式得到的钎料采用功率补偿式差示扫描量热法，利用美国PerkinElmer～Pyris Diamond DSC功率补偿型差示扫描量热仪来测定钎料合金的熔化温度，钎料质量为5～10mg，本测试过程采用升温速率为10℃/min,升温范围为180～300℃，试验过程中采用高纯氮气保护样品。
采用GB/T11364-2008标准测试润湿性，标准试样为40×40×1 mm的单面覆铜板试片，钎料试样的质量0.25g。加热设备为R340C型八温区无铅回流焊炉，峰值温度为280℃，利用它们在Cu基板上的铺展率来评价其润湿性。
采用日本PTR-1101接合强度试验机对用本实施方式钎料制备的微焊点的剪切强度进行测试，剪切速度0.5mm/s，剪切距离1mm，定位距离175µm，小球的尺寸为700µm。各实施例钎料基本性能如图1所示。

Claims (3)

1.一种用于功率器件封装的高温钎料，其特征在于钎料由五种成分Sn、Sb、Cu、Ag、Ni组成，其中Sb含量为2～5%，Cu含量为0.1～2%，Ni含量为0.1～0.5%,Ag含量为0.1～0.5%余量为锡（Sn）。
2.权利要求1所述的新型高温钎料，其特征在于以Sn-Sb合金为基体，通过添加合金元素制成，实验采用中间合金的形式进行熔炼，设计了正交试验对成分含量进行了优选，本发明钎料是原料在石英管中在氩气的保护气氛下经高频感应加热仪加热熔炼而成，熔炼成的块体合金可以经线切割制成片状钎料，也可以制成粉料或者焊膏。
3.如权利要求2所述的用于功率器件封装的高温钎料，是以中间合金的形式添加合金元素，其中Sb：Sn-30Sb、Cu： Sn-10Cu、 Ag：Sn-20Ag、Ni： Sn-1Ni。
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