專利名稱：一種釬焊鋁碳化硅復(fù)合材料的中溫釬料及制備和釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬封裝外殼和材料釬焊連接領(lǐng)域。鋁碳化硅(SiCp/Al)復(fù)合材料具 有高導(dǎo)熱、低密度和與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)，使其成為一種理想的封裝材料，適用于微 電子封裝中混合集成電路、毫米波/微米波集成電路、多芯片組件和大功率器件等封裝外
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背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子器件中的芯片集成度越來越高，功率越來越大， 對封裝材料的散熱要求也越來越高，同時對微電子封裝的相關(guān)工藝也提出了更高的要求。 傳統(tǒng)的金屬封裝外殼材料可伐合金(Kovar)雖然具有合適的熱膨脹系數(shù)(CTE)，能與硼 硅硬玻璃等匹配封接，且具有良好的焊接性、加工性，但其熱導(dǎo)率低，電阻率高，密度也較 大，使其應(yīng)用受到了很大限制。高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料由于具有熱導(dǎo)率高(160 220W · πΓ1 · Γ1)、密度低(小于3. Og · cm-3)、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點成為新一代電子封裝 材料。20世紀(jì)90年代以來，高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料作為新一代電子封裝和熱控材 料在一系列世人矚目的先進(jìn)航空器上逐步獲得了應(yīng)用。SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料取代目 前普遍使用的可伐合金，不僅使器件的熱耗散能力大幅度提高，從而顯著降低芯片溫度，使 電子元器件的壽命和可靠性大大提高，同時還可減重超過60%，因此，高性能SiCp/Al電子 封裝材料大量應(yīng)用于商用和航空航天用微電子器件、光電子器件等的封裝不僅對航空航天 技術(shù)的發(fā)展具有重要的推動作用，還將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，應(yīng)用前景十分廣 闊。眾所周知，電子元器件等在組裝時的各類焊接、粘接或固化過程必須遵循先高溫 后低溫順序。傳統(tǒng)Kovar外殼的典型封裝工藝為首先在920 980°C將可伐合金封裝外 殼和芯片外引線通過絕緣的熔封玻璃連接成組件，然后此組件與可伐底板通過Ag-Cu共晶 釬料在830°C左右釬焊連接。隨后，芯片將通過Au-Si共晶法在380 430°C下對芯片進(jìn)行 裝片。最后，在完成芯片與外引線的鍵合后，采用平行縫焊或Au-Sn釬料在330°C左右溫度 下進(jìn)行封蓋工藝，實現(xiàn)可伐蓋板與封裝殼體的釬焊連接。隨著電子器件中芯片功率的不斷增大，芯片的溫度也隨之升高，因此提高封裝材 料的導(dǎo)熱率是解決芯片散熱的主要途徑。雖然SiCp/Al復(fù)合材料作為封裝外殼可以解決 芯片的散熱問題，然而目前的封裝工藝難以實現(xiàn)。因為當(dāng)SiCp/Al復(fù)合材料用作封裝的外 殼時，無法在920 980°C范圍內(nèi)與玻璃絕緣子直接進(jìn)行熔封，只能在SiCp/Al復(fù)合材料外 殼邊框處焊接可伐_玻璃絕緣子組件。原因是SiCp/Al復(fù)合材料的使用溫度一般不超過 550°C，因此它不能與普通熔封玻璃在980°C左右進(jìn)行熔封，只能先制備可伐環(huán)-玻璃-可伐 引線組件，然后在低于550°C溫度范圍內(nèi)通過釬焊將SiCp/Al外殼與可伐引線組件連接。然 而目前國內(nèi)外尚無成熟的中溫釬料。如果采用釬焊溫度為330°C左右的Au-Sn釬料實現(xiàn)封 裝外殼與引線組件的連接，則后續(xù)的芯片裝片只能采用導(dǎo)電膠粘接工藝，而這種粘接工藝將導(dǎo)致芯片與封裝底座間的界面熱阻很大(熱導(dǎo)率僅為0. 5 2. 5W/mK)，無法實現(xiàn)芯片的 快速散熱。因此，為發(fā)揮SiCp/Al復(fù)合材料的高導(dǎo)熱特性，SiCp/Al封裝材料的封裝工藝必須 得到相應(yīng)改變。首先，應(yīng)在高于芯片的裝片溫度而低于SiCp/Al的使用溫度范圍內(nèi)通過釬 焊將SiCp/Al外殼與可伐引線組件連接。其次，采用Au-Si共晶法380 430°C范圍內(nèi)將 芯片安裝在底板上，這類釬料的熱導(dǎo)率可達(dá)到50 70W/mK，從而大大降低熱沉材料之間的 界面熱阻，顯著改善封裝的散熱性能。即只有實現(xiàn)SiCp/Al外殼與可伐引線組件(或SiCp/ Al底座與可伐外殼)的中溫釬焊，才能較好發(fā)揮SiCp/Al的高導(dǎo)熱作用?？紤]到實際工藝 操作的可行性，SiCp/Al復(fù)合材料與可伐引線組件應(yīng)在450 510°C范圍內(nèi)釬焊，這樣既不 會影響SiCp/Al復(fù)合材料本身的性能，也保證了后續(xù)的芯片裝片工藝的進(jìn)行，從而保證了封 裝的良好散熱。當(dāng)完成對SiCp/Al外殼與引線組件釬焊，芯片裝片和引線鍵合之后，可采用 Au-Sn釬料對外殼殼體與蓋板在330°C左右進(jìn)行封蓋，從而完成整個封裝工藝。以上分析表 明，SiCp/Al復(fù)合材料用于封裝外殼與傳統(tǒng)工藝最大的不同在于需要一種釬焊溫度在450 510°C的中溫釬料實現(xiàn)SiCp/Al外殼與可伐引線組件的連接。由于目前在此溫度區(qū)間內(nèi)無 成熟釬料，SiCp/Al復(fù)合材料作為封裝材料受到極大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種釬焊溫度在450 510°C的中溫釬料以實現(xiàn)SiCp/Al 外殼與可伐引線組件的連接。解決目前為電子封裝領(lǐng)域無此溫度范圍釬料的問題，同時解 決SiCp/Al復(fù)合材料用于封裝殼體材料時的釬焊連接問題。該釬料也可用于Diamond/Al和 cf/ki等鋁基復(fù)合材料的中溫釬焊連接。本發(fā)明是在傳統(tǒng)的Ag-Cu共晶釬料的基礎(chǔ)上，加入低熔點的Sn元素，并適當(dāng)調(diào)整 三種組元的成分，形成Ag-Cu-Sn三元釬料合金，使其釬焊溫度在450 510°C，且釬料具有 較窄的熔化溫度區(qū)間。為了進(jìn)一步細(xì)化釬料的晶粒，提高釬料的柔韌性，并增加釬料與鍍M基體的潤濕 能力，向釬料種加入微量的Ni，其含量為0 3wt. %。一種釬焊鋁碳化硅復(fù)合材料的中溫釬料，中溫釬料各組分的質(zhì)量百分含量為-.Ag 30 50 ；Cu 5 15 ；Sn 35 60 ；Ni 0 3。上述組分的優(yōu)選范圍為:Ag 35 45 ；Cu 8 13 ；Sn 45 55 ；Ni 0 3。Sn在固態(tài)Ag和固態(tài)Cu中的溶解度不大，室溫時，Ag能溶解12.5% Sn，Cu能溶解 13. 9% Sn，往Ag-Cu合金中添加Sn會降低其熔點，但隨著Sn量的增加，釬料合金內(nèi)部會生 成大量Cu3Sru Cu6Sn5和Ag3Sn等金屬間化合物，這些脆性的金屬間化合物使釬料加工性能 變壞，不能采用常規(guī)的辦法制備釬料片或薄帶，所以本發(fā)明采用單輥法快速凝固工藝制備 該系釬料。本發(fā)明的釬料的制備過程為首先將純度均為99. 99%的四種組元金屬在高頻電 磁感應(yīng)爐內(nèi)熔煉，空冷后得到鑄態(tài)釬料。然后采用快速凝固法制備成釬料薄帶，具體參數(shù) 為真空度KT3Pa ；輥輪線速度10 20m/s ；噴嘴至輥面的間距為0. 5 Imm ；噴嘴的縫隙 寬0. 3 0. 5mm，長8 10mm，噴鑄時石英管內(nèi)的氬氣壓力為40 50kPa ；噴鑄時熔融液態(tài) 合金溫度為480 500°C。制得的薄帶厚度在100 200 μ m,寬度為5 15mm。
采用制備的Ag-Cu-Sn-Ni釬料薄帶釬焊化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合 金，圖1是該系中溫釬料釬焊化學(xué)鍍Ni (P)后SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金的接頭示意圖。本發(fā)明的SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金的釬焊工藝過程如下(1)采用Pd鹽活化法在SiCp/Al復(fù)合材料表面進(jìn)行化學(xué)鍍Ni，鍍Ni層厚度為 2-10 μ m，圖2為化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料截面形貌。(2)采用Ag-Cu-Sn-Ni釬料對鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金進(jìn)行釬焊。 所用釬劑為Rosin Mildly-activated-type Flux (RMA釬劑，即中等活性松香釬劑)，釬焊溫 度范圍為450 510°C，保護(hù)氣氛為工業(yè)普氮、高純N2或高純Ar，釬焊時間為2 6分鐘。本發(fā)明開發(fā)了一種釬焊溫度在450 510°C的Ag-Cu-Sn-Ni系釬料(ACSN系釬 料)，并將其用于釬焊化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金。該釬料也可用于釬焊 Diamond/Al、Cf/Al等其它鋁基復(fù)合材料。釬焊后對釬焊接頭進(jìn)行分析，釬焊接頭組織均勻且無缺陷。釬焊后的SiCp/Al復(fù) 合材料外殼具有如下性能，完全滿足國軍標(biāo)要求。(1)外殼氣密性彡 1 X 10_5Pa · cm3/S ；(2)鹽霧超過 48h;(3)溫度循環(huán)-65°C +175°C，100 次；(4)熱沖擊-65°C +150°C，15 次；(5)剪切強(qiáng)度65MPa。


圖1為化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料截面形貌。圖2為ACSN系釬料釬焊SiCp/Al復(fù)合材料的接頭示意圖。圖3為ACSN釬料釬焊SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金接頭照片。
具體實施例方式實施例1選擇5組上述釬料成分范圍的釬料合金，其具體成分和熔化特性如表1所示。將 這5種釬料金屬在高頻電磁感應(yīng)爐真空熔煉后，得到鑄態(tài)的釬料合金。采用差熱分析方法， 對釬料的熔化特性進(jìn)行測量，該系列釬料的熔點范圍在420 480°C之間，其相應(yīng)的釬焊溫 度位于450 510°C內(nèi)。該釬焊溫度對SiCp/Al復(fù)合材料用于封裝外殼材料而言，既高于芯 片的裝片溫度范圍(380 430°C )，又不影響SiCp/Al復(fù)合材料本身的機(jī)械性能，是理想的 釬焊溫度范圍。表IAg-Cu-Sn-Ni系中溫釬料具體成分釬料編號Ag (wt.%)Cu (wt.%)Sn (wt.%)Ni (wt.%)熔化溫度范圍(°C)1301258425.8-451.024011481432.9-454.73501238454.6-476.643610522436.2-458.353810493442.3-468.4
實施例2采用2號釬料釬焊SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金。由于SiCp/Al復(fù)合材料表面可 能存在SiC顆粒，這對復(fù)合材料的釬焊是一個很大的障礙，這種非金屬顆粒會影響釬料與 基體的潤濕，進(jìn)而影響釬焊接頭的性能。為了提高釬料與基體的潤濕性，需要在SiCp/Al復(fù) 合材料表面化學(xué)鍍Ni，鍍Ni層厚度一般在3 8 μ m。在SiCp/Al復(fù)合材料表面化學(xué)鍍Ni 的具體工藝流程可以如下所示機(jī)械拋光一化學(xué)除油一去離子水洗一酸浸蝕一去離子水洗一敏化一去離子水洗 —活化一去離子水洗一化學(xué)鍍Ni (P)。其中化學(xué)除油溶液的成分及含量為磷酸三鈉20g/L，氫氧化鈉5g/L，碳酸鈉IOg/ L。將SiCp/Al復(fù)合材料在室溫下浸入溶液中30秒，然后取出用去離子水沖洗干凈。酸浸 蝕溶液的成分及含量為含有10%硝酸和10%氫氟酸的水溶液，將SiCp/Al復(fù)合材料在室溫 下浸入溶液中40秒，然后取出用去離子水沖洗干凈。敏化液的成分及含量為氯化亞錫IOg/ L，鹽酸20ml/L。將SiCp/Al復(fù)合材料在室溫下浸入敏化液中120秒，然后取出用去離子水 沖洗干凈?；罨旱某煞旨昂繛槁然Z0. 25g/L，鹽酸10ml/L。將SiCp/Al復(fù)合材料在 室溫下浸入活化液中120秒，然后取出用去離子水沖洗干凈。經(jīng)過上述各步的預(yù)處理后，可 將SiCp/Al復(fù)合材料放入化學(xué)鍍液中進(jìn)行化學(xué)鍍。化學(xué)鍍液的成分和化學(xué)鍍的條件如表2 所示。表2化學(xué)鍍Ni鍍液成分及工藝參數(shù)
硫酸鎳20g/L
檸檬酸三鈉10g/L 次磷酸鈉30g/L
氯化銨30g/L
PH 值8.5
溫度45 0C時間2h 采用快速凝固法將2號Ag-Cu-Sn-Ni鑄態(tài)釬料制備成釬料薄帶，釬焊具有M (P) 鍍層的SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金，高純Ar氣保護(hù)，焊接溫度為480°C，焊接時間為4分 鐘。由圖3可以看出，Ag-Cu-Sn-Ni焊料與兩種鍍Ni基體材料結(jié)合良好，焊縫組織均勻致 密，無裂紋和孔洞等缺陷。采用以上焊接工藝的SiCp/Al復(fù)合材料外殼滿足氣密性、鹽霧、 溫度循環(huán)和熱沖擊等試驗要求。氣密性優(yōu)于1\10_卞^!1173，剪切強(qiáng)度高于651^^滿足國軍標(biāo)要求。
權(quán)利要求
一種釬焊鋁碳化硅復(fù)合材料的中溫釬料，其特征在于該中溫釬料組分的質(zhì)量百分含量為Ag30～50；Cu5～15；Sn35～60；Ni0～3；中溫釬料的熔點范圍在420～480℃之間，其相應(yīng)的釬焊溫度位于450～510℃之間；能夠釬焊化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金，釬焊后外殼的氣密性優(yōu)于1×10 9Pa·m3/S。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊鋁碳化硅復(fù)合材料的中溫釬料，其特征在于中溫 釬料組分的質(zhì)量百分含量為Ag 35 45 ；Cu 8 13 ；Sn 45 55 ；Ni 0 3。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述的釬焊鋁碳化硅復(fù)合材料的中溫釬料的制備方法，其特 征在于首先采用高頻電磁感應(yīng)爐熔化組元金屬，得到鑄態(tài)釬料合金；然后單輥法快速凝 固工藝制備成釬料薄帶，其具體的工藝參數(shù)為真空度10_3Pa ；輥輪線速度10 20m/s ；噴 嘴至輥面的間距為0. 5 Imm ；噴嘴的縫隙寬0. 3 0. 5mm，長8 10mm，噴鑄時石英管內(nèi) 的氬氣壓力為40 50kPa ；噴鑄時熔融液態(tài)合金溫度為480 500°C。
4.一種采用如權(quán)利要求1或2所述的釬焊鋁碳化硅復(fù)合材料的中溫釬料的釬焊方法， 其特征在于采用Ag-Cu-Sn-Ni釬料薄帶釬焊化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金 進(jìn)行釬焊，所用釬劑為RMA釬劑，釬焊溫度范圍為450 510°C，保護(hù)氣氛為工業(yè)普氮、高純 N2或高純Ar，釬焊時間為2 6分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子封裝領(lǐng)域，提供一種釬焊溫度在450～510℃之間，用于連接SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金的釬料及其釬焊方法。本發(fā)明開發(fā)了一種釬焊溫度在450～510℃之間的中溫釬料，該中溫釬料組分的質(zhì)量百分含量為Ag30～50；Cu5～15；Sn35～60；Ni0～3；用該釬料釬焊化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金，釬焊后外殼氣密性優(yōu)于1×10-9Pa·m3/S，剪切強(qiáng)度高于65MPa，滿足國軍標(biāo)要求。特點在于將SiCp/Al復(fù)合材料在高于芯片的裝片溫度(430℃)，而低于SiCp/Al復(fù)合材料本身熔點的溫度下進(jìn)行釬焊。這保證了后續(xù)的芯片裝片工藝能使用Au-Si共晶法(380～430℃)，進(jìn)而保證封裝的整體散熱效果。SiCp/Al復(fù)合材料外殼主要適用于微電子封裝中混合集成電路、毫米波/微米波集成電路、多芯片組件和大功率器件的封裝外殼。
文檔編號B23K35/26GK101972901SQ20101052612
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者何新波, 馮澤龍, 吳茂, 常玲玲, 彭子榕, 曲選輝, 王維, 雍瑋娜 申請人:北京科技大學(xué)