本發(fā)明屬于半導體器件制造工藝技術領域，尤其涉及一種用于陶瓷與金屬焊接的釬料及焊接方法。

背景技術：

陶瓷與金屬的連接在半導體制造領域具有重要應用。將陶瓷與金屬進行封裝, 是將陶瓷應用到電器件的重要環(huán)節(jié)。大功率密度電子封裝中所產(chǎn)生的熱量主要是通過陶瓷覆金屬板傳導到外殼而散發(fā)出去的，最常用的是陶瓷覆銅，目前陶瓷覆銅板主要通過高導電無氧銅在高溫下直接鍵合到陶瓷表面而形成。它既具有陶瓷的高導熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又具有無氧銅金屬的高導電性和優(yōu)異的焊接性能，并能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形，是電力電子領域功率模塊封裝連接芯片與散熱襯底的關鍵材料。但是這種方法成本高，而且操作復雜，不便于控制。

另一種陶瓷與金屬的連接技術是活性金屬釬焊法，由于其具有適用范圍廣、連接強度高、生產(chǎn)成本低、高效可靠等優(yōu)點，而備受人們的青睞。這種方法通常采用含有適量活性元素的特殊釬料，在真空條件下直接連接陶瓷與金屬。釬焊過程中，釬料中的活性元素在一定溫度下與陶瓷發(fā)生冶金反應，在陶瓷/ 釬料界面形成一定厚度的能被液態(tài)金屬釬料潤濕的過渡層, 從而實現(xiàn)陶瓷與金屬的化學結(jié)合。然而該方法普遍使用大量的銀，銀在釬料中的占比超過70%，成本高昂。本方法不采用貴金屬，成本低廉，且能達到較高的連接強度，為陶瓷覆銅的連接又提供了一種新的方法。

但是，上述方法獲得的結(jié)合強度仍有待提高，而且前者的成本高，操作復雜，不便于控制。

技術實現(xiàn)要素：

針對以上技術問題，本發(fā)明公開了一種用于陶瓷與金屬焊接的釬料及焊接方法，該方法突破了制備陶瓷覆銅的傳統(tǒng)方法，降低了制備成本。

對此，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種用于陶瓷與金屬焊接的釬料，其為鉍基玻璃料，所述鉍基玻璃料包含的組分及其質(zhì)量百分比為：Bi₂O₃ 60-80%，B₂O₃ 5-20%，ZnO 7-20%，其余為微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO中的一種或幾種。本發(fā)明的技術方案，采用含有高的氧化鉍含量的鉍基玻璃料作為焊接原材料，利用高溫下鉍玻璃晶化與金屬發(fā)生化學反應，使得焊接凝固后陶瓷與金屬之間得到更高的強度。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述微量添加元素的質(zhì)量百分比為2~6%；優(yōu)選的，所述微量添加元素的質(zhì)量百分比為3~5%。

作為本發(fā)明的進一步改進，其包含的組分及其質(zhì)量百分比為：Bi₂O₃ 65-75%，B₂O₃8-18%，ZnO 10-16%，其余為微量添加元素。所述微量添加元素至少包含SiO₂、TiO₂、MgO。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述用于陶瓷與金屬焊接的釬料的外形為塊狀、薄膜、微米線、微米帶、微米管、微米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納米顆粒。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述陶瓷為氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷或氮化硅陶瓷。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述金屬為銅、鋁或銀。對于比鉍活潑的金屬，采用本發(fā)明的技術方案，有利于高溫下鉍玻璃晶化與金屬發(fā)生化學反應，凝固后陶瓷與金屬之間得到更高強度的焊接。

作為本發(fā)明的進一步改進，其采用以下步驟制備得到膏狀釬料：將所述鉍基玻璃料磨制為10~50μm粒徑的粉，然后與質(zhì)量比為1:（2~4）的乙基纖維素和松油醇的混合物配制得制成含鉍玻璃膏，所述鉍基玻璃料與乙基纖維素和松油醇的混合物的混合質(zhì)量比為7:3。

本發(fā)明還提供了一種用于陶瓷與金屬焊接的焊接方法，其采用如上任意一項所述的用于陶瓷與金屬焊接的釬料，將所述用于陶瓷與金屬焊接的釬料置于陶瓷與金屬之間進行回流焊接，所述回流焊接的最高溫度為600-1000℃。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述的用于陶瓷與金屬焊接的釬料可為塊狀、薄膜、微米線、微米帶、微米管、微米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納米顆粒等形狀。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述陶瓷為氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷或氮化硅陶瓷。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述金屬為銅、鋁或銀。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述回流焊接包括助焊劑揮發(fā)區(qū)、回流區(qū)和凝固區(qū)間，所述回流區(qū)的溫度為500-1000℃。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述回流焊接在空氣、真空、氮氣、氫氣或惰性氣體氣氛中進行。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的技術方案，基于金屬與鉍氧化物的化學交互作用，獲得了更高的結(jié)合強度，不同于以往陶瓷與金屬簡單的玻璃粘結(jié)和高溫燒結(jié)的連接方法，該方法簡單，成本低，可操作性強，為微型器件制造提供了又一種切實可行的方法。

附圖說明

圖1是實施例中固定陶瓷片與金屬片的夾具裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1-壓板；2-承載臺；3-固定螺母。

圖2是實施例1的夾具裝置俯視圖。

圖3是實施例1中氧化鋁陶瓷與銅片連接的掃描電鏡圖。

圖4 是實施例1中連接強度隨時間變化曲線。

圖5為實施例2中氮化鋁陶瓷與銅片連接的掃描電鏡圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的較優(yōu)的實施例作進一步的詳細說明。

以下實施例中所用回流設備包括樣品固定夾具和回流爐，所述樣品固定夾具優(yōu)選的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，該裝置包括壓板1、樣品臺2和緊固螺栓3；壓板1和樣品臺2通過緊固螺栓3連接。

上述樣品固定夾具置于回流爐中，高溫回流，制得陶瓷覆金屬連接結(jié)構(gòu)。

實施例1

一種用于陶瓷與金屬焊接的釬料，其為鉍基玻璃料，其包含的組分及其質(zhì)量百分比為：Bi₂O₃ 70%，B₂O₃ 15%，ZnO 12%，其余為微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO，其質(zhì)量百分比分別為1%、1%、1%。

所述用于陶瓷與金屬焊接的釬料采用以下步驟進行制備膏狀釬料：

先將所述鉍基玻璃料磨制為20μm粒徑的粉，然后與質(zhì)量比為1:3乙基纖維素和松油醇的混合物配制得有機粘結(jié)劑混合物，所述鉍基玻璃料與乙基纖維素和松油醇的混合物的混合質(zhì)量比為7:3，制成含鉍玻璃膏。

以制備得到的含鉍玻璃膏為焊接原料，純銅片和氧化鋁陶瓷為焊接母材。中間部分為含鉍玻璃膏，上部為銅片，下部為氧化鋁陶瓷片，銅片和氧化鋁陶瓷片尺寸均為5×5×1mm。將該玻璃膏刷至氧化鋁陶瓷片上，而后將銅片覆蓋于玻璃膏上。

將上述粘結(jié)的樣品置于夾具的樣品臺上，緊固螺絲使壓片壓緊樣品。然后，將夾具置于回流爐中分別設定回流溫度為700、800、850 和 900℃，回流過程中通氮氣，保護銅片不被氧化，隨后隨爐冷卻。

將所得到的陶瓷覆銅結(jié)構(gòu)處理后，對其進行掃描電鏡分析，如圖3所示，可以看出，釬料和陶瓷發(fā)生了冶金反應，形成了一層化合物；銅片和釬料之間沒有形成化合物，但是靠近銅側(cè)，釬料中形成了一層鉍金屬，鉍與銅形成了緊密結(jié)合。而且銅表面被鉍侵蝕形成溝槽狀結(jié)構(gòu)，也增加了結(jié)合強度。經(jīng)過拉伸試驗測試，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)在850℃拉伸強度最大，可達12MPa，說明該方法能夠有效連接氧化鋁陶瓷和銅。與現(xiàn)有的陶瓷覆銅直連法（DBC）相比，該方法連接溫度只有850℃ 遠小于DBC 的1060℃；活性金屬焊接法采用大量的貴金屬為焊接原料，與之相比，該方法不采用貴金屬，成本非常低；簡單的玻璃封接(粘結(jié))抗壓不抗拉，與之相比,該方法具有較強的抗拉性能,優(yōu)勝于玻璃封接(粘結(jié))。

實施例2

（1）選用實施例1中的結(jié)構(gòu)作為原材料基體，氧化鋁陶瓷換為氮化鋁陶瓷，制作樣品。

（2）樣品制作方法與實施例1中類似，回流溫度為850℃，回流過程中通氮氣，隨爐冷卻。

制得樣品經(jīng)掃面電鏡觀察，如圖5所示，形成致密的組織，經(jīng)過拉伸試驗測試，該結(jié)構(gòu)拉伸強度也可達10MPa，說明該方法能夠有效連接氮化鋁陶瓷和銅。

實施例3

在實施例1的基礎上，所述鉍基玻璃料包含的組分及其質(zhì)量百分比為：Bi₂O₃ 80%，B₂O₃7%，ZnO 9%，其余為微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO，其質(zhì)量百分比分別為1%、1%、2%。所述用于陶瓷與金屬焊接的釬料的制備方法同實施例1。

將上述得到的用于陶瓷與金屬焊接的釬料用于銅片與氮化鋁陶瓷的連接，經(jīng)過拉伸試驗測試，該結(jié)構(gòu)拉伸強度為8.2MPa。

實施例4

在實施例1的基礎上，所述鉍基玻璃料包含的組分及其質(zhì)量百分比為：Bi₂O₃ 60%，B₂O₃18%，ZnO 19%，其余為微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO，其質(zhì)量百分比分別為1%、1%、1%。所述用于陶瓷與金屬焊接的釬料的制備方法同實施例1。

將上述得到的用于陶瓷與金屬焊接的釬料用于銅片與氮化鋁陶瓷的連接，經(jīng)過拉伸試驗測試，該結(jié)構(gòu)拉伸強度可達7.6MPa。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。