一種電力電子模塊封裝用高溫?zé)o鉛焊片及其制備方法
【專利摘要】一種電力電子模塊封裝用的高溫?zé)o鉛焊片，由Cu、Sn、微量稀土元素和助焊粘合劑組成；所述銅粉、錫粉、微量稀土元素及助焊劑的質(zhì)量百分比為：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)。制備所述高溫?zé)o鉛焊片的方法如下為：(1)將銅粉、錫粉、微量稀土元素按如下質(zhì)量百分比配制：(35～38)％：(58～60)％：(0.1～0.25)％；(2)將所配制的銅粉、錫粉和微量稀土元素置于混料機中，在200～400r/min速率下，機械混合10～20h，得到均勻混合粉末；(3)在制得的均勻混合粉末中添加質(zhì)量百分比為3.9％～4.75％的助焊劑，然后以200～400r/min的速率機械混合2h，得到聚合粉體；(4)將聚合粉體在高壓壓片機上壓力成型，壓片機壓力范圍為10～40MPa，得到厚度為100～150μm的Cu?Sn復(fù)合預(yù)成型焊片。
【專利說明】
一種電力電子模塊封裝用高溫?zé)o鉛焊片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫?zé)o鉛焊片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率器件的工作環(huán)境溫度越來越高，需要研發(fā)一系列環(huán)境友好的、性能可靠的高溫焊接材料以適應(yīng)電力電子工業(yè)的發(fā)展。同時為了應(yīng)對日益增長的高溫電子元器件需求，新一代半導(dǎo)體如SiC、GaN和包裝材料AlN、Si3N4已被廣泛應(yīng)用，但作為關(guān)鍵技術(shù)之一的電子封裝用低成本、高性能的高溫?zé)o鉛焊料的開發(fā)卻進展緩慢。
[0003]目如市場上可提供的尚溫焊料有:鉛錫焊料、金錫焊料、金錯焊料、秘銀焊料、梓招焊料、錫鋅焊料和錫銻焊料。在這些焊料中焊縫能耐300°C高溫而不熔化失效的焊料有Sn-95wt.%Pb、Sn-98wt.%Pb、Au_0.28at.%Ge、Zn_6wt.% Al 和Zn_4wt.%Al-3wt.%Mg-
3.2wt.%Ga。但是鉛污染環(huán)境、金為貴金屬、鋅鋁焊料不耐腐蝕且界面潤濕性能差，它們的使用均受到了很大限制。因此環(huán)保、低成本、焊縫剪切強度高且使用溫度在300°C以上的焊料是市場急需產(chǎn)品。然而目前市場上并不能提供該類產(chǎn)品。環(huán)保、低成本、高溫工作環(huán)境下焊縫高可靠性是電子封裝用高溫焊料的發(fā)展方向，也是各國努力研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004]高壓燒結(jié)微米級銀顆粒及納米銀焊膏和三明治結(jié)構(gòu)焊片(高溫金屬表面鍍低熔點金屬)的低溫瞬態(tài)液相擴散焊接技術(shù)(LT-TLPB)，因其可實現(xiàn)在低溫操作工藝下制備耐高溫焊接接頭而被廣泛研究。高壓燒結(jié)微米銀顆粒及低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏技術(shù)都存在Ag在介電材料中電迀移的潛在風(fēng)險，同時因其成本高，工藝流程長、和現(xiàn)行焊接工藝不兼容等缺點阻礙了該技術(shù)的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)布局。而利用三明治結(jié)構(gòu)的LT-TLPB技術(shù)制備耐高溫接頭，對鍍層純度、設(shè)備及焊接條件有極苛刻的要求，同時存在鍍層尺寸限制等挑戰(zhàn)。近年來，另一種利用高熔點和低熔點金屬粉末直接混合做成焊膏的LT-TLPB焊接技術(shù)引起了人們的高度關(guān)注。該技術(shù)主要是針對Sn-Cu系列或Sn-Ag系列形成的Cu6Sn5與Cu3Sn或Ag3Sn耐高溫金屬間化合物。這類焊膏在恒溫擴散反應(yīng)過程中會發(fā)生反應(yīng)生成金屬間化合物而形成焊接接頭。中國專利CNl00475996C公開了一種高溫?zé)o鉛焊料用組合物、生產(chǎn)方法及元件，該無鉛高溫焊料包含一種含銀2wt %-18wt%、含祕98*1:%-82￥1:%的銀祕合金，具有固相線不低于262.5°C、液相線不高于400°C，但是，該無鉛焊料用組合物強度和塑性較低，此焊料用普通助焊膏做成的錫膏在抗坍塌能力較差，錫珠較多等不良，不利于該無鉛焊料用組合物的工業(yè)化生產(chǎn)和推廣。CN 104476007A公開了一種高熔點無鉛無鹵焊錫膏及其制備方法，該焊錫膏焊料合金具有固相線溫度高于260°C以上，具有強度高，塑性高，抗疲勞特性強的優(yōu)點，助焊膏具有優(yōu)良的防坍塌功能該技術(shù)是一種非常具有實用前景的可與傳統(tǒng)焊膏工藝相兼容的高溫；中國專利CNlO1234456A公開了一種錫銀金無鉛焊接材料及其制備方法，其熔化溫度可達到300°C，潤濕性和電學(xué)性能優(yōu)良，焊接效果良好，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Sn-95%Pb焊料合金。其組成為銀8?13%、金35?45%，其余為錫。貴金屬用量大，成本高，焊接溫度高；中國專利CN104588906A公開了一種Sn-Cu高溫?zé)o鉛焊膏及其制備方法和使用方法，該焊膏焊接的樣品使用溫度可高達400°C，焊縫剪切強度高，性能穩(wěn)定，但該技術(shù)仍然沿用的是焊膏技術(shù)，需要采用容易產(chǎn)生污染的絲網(wǎng)印刷技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，致力于研發(fā)環(huán)保、低成本的高溫焊料，本發(fā)明提出一種高溫?zé)o鉛焊片及其制備方法。該種焊片成型體積密度為4380?6570kg/m3，厚度為100?150μπι，焊接溫度240-270 °C，保溫時間3?6h。焊接后本體相抗拉伸強度>65MPa，焊接后焊件的使用溫度高達400°C。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種高溫?zé)o鉛焊片，由錫粉、銅粉、微量稀土元素及助焊粘合劑組成。所述銅粉、錫粉、微量稀土元素及助焊劑的質(zhì)量百分比為:(35?38):(58?60):(0.1?0.25):(3.9?4.75);所述微量稀土元素為鑭、鈰或兩者的混合物;所用助焊劑為市售MT-10液體松香助焊劑。
[0008]為使焊片成分組織均勻并易于壓制成型，要求金屬粉末在球磨混合及壓片過程達到原子級接觸但不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所述錫粉、銅粉均為球形或近球形。為增加焊接過程反應(yīng)表面積，以便于粒子間的充分反應(yīng)，所述錫粉、銅粉采用亞微米級粒子，粒度為:錫粉2_7μπι，銅粉 0.1_1μπι。
[0009]所述的高溫?zé)o鉛焊片的制備方法包括如下步驟:
[0010](I)將銅粉、錫粉、微量稀土元素按如下質(zhì)量百分比配制:(35?38)%:(58?60)%:(0.1 ?0.25)% ;
[0011](2)將步驟(I)配制的銅粉、錫粉和微量稀土元素等物料置于混料機中，在200?400r/min速率下，機械混合10?20h，得到均勾混合粉末；
[0012](3)在經(jīng)步驟(2)制得的均勻混合粉末中添加質(zhì)量百分比為3.9%?4.75%的助焊劑，然后以200?400r/min的速率機械混合2h，得到具有一定粘結(jié)力的聚合粉體。
[0013]所述錫粉、銅粉均為球形或近球形;錫粉的粒度為2_7μπι、銅粉的粒度為0.1_2μπι;優(yōu)選的，錫粉粒度為2-3μηι，銅粉粒度為0.1-0.5μηι；
[0014]所述助焊劑的粘度范圍為2?4Pa.S。
[0015](4)將步驟(3)制備的具有一定粘度的聚合粉體在高壓壓片機上壓力成型，壓片機壓力范圍為10?40MPa，得到厚度為100?150μπι的Cu-Sn復(fù)合預(yù)成型焊片；
[0016]對所述的復(fù)合預(yù)成型焊片進行低溫液相擴散燒結(jié)，利用Sn的低熔點，使得焊片本體相在較低的燒結(jié)工藝溫度下，利用Cu與Sn的液固反應(yīng)轉(zhuǎn)化為耐高溫的Cu6Sn5/Cu3Sn復(fù)合相。
[0017]燒結(jié)時，將該焊片放置在陶瓷基板上，在真空或惰性氣體氣氛中，于240°C?270°C下熱處理3?6h，隨爐冷卻，燒結(jié)結(jié)束后，焊片本體相經(jīng)XRD分析，測得的物相成分為Cu6Sn5與Cu3Sn的混合相;經(jīng)拉伸試驗機測試，得到焊片本體的拉伸強度>65MPa;
[0018]所述焊片燒結(jié)后，焊件的主要物相為Cu6Sn5/Cu3Sn，Cu3Sn的熔點為415°C，Cu6Sn5的熔點為676°C，因此，利用該焊片焊接后的焊件使用溫度可高達400°C以上。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0020]I)用本發(fā)明的高溫?zé)o鉛焊片焊接金屬材料時，焊接過程中有液相金屬Sn產(chǎn)生，焊接結(jié)束時液相金屬消失，并產(chǎn)生金屬間化合物。普通焊接時金屬間化合物主要為疏密有致的Cu6Sn5/Cu3Sn界面層;Cu6Sn5和Cu3Sn熔點分別為415°C和676°C，從而保證該合金材料在400 °C不會融化。
[0021]2)本發(fā)明焊片的焊接溫度為240_270°C，采用本焊片焊接焊件后，焊縫在工作溫度低于400°C時不會熔化失效，焊縫可經(jīng)受高達400°C的高溫工作環(huán)境。
[0022]3)本發(fā)明的高溫焊片實現(xiàn)了焊料合金化與焊接過程的統(tǒng)一，且為無鉛錫基焊片，環(huán)保、成本低、耐腐蝕、界面潤濕性能好。
[0023]4)本高溫焊片的制備方法，采用的是金屬粉末直接混合的方式，不需要金屬熔融成合金再霧化的方式，不僅使得制備方法簡單，而且有助于降低焊接溫度，當(dāng)焊片達到錫熔解的溫度即可焊接。
[0024]5)本高溫焊片采用直徑為0.1-1μπι的球形或近球形銅粉，其目的是小顆粒的球形或近球形銅粉在反應(yīng)中的表面積較大，能夠與融化的錫在高溫下反應(yīng)更充分。
[0025]6)本高溫焊片采用的助焊劑的粘度為2?4Pa.s，其目的是將金屬粒子通過相互作用緊密結(jié)合在一起，從而使Cu-Sn復(fù)合焊片易于成型，并且在焊接過程使銅錫反應(yīng)更充分。
[0026]7)本復(fù)合焊片特別適用于電力電子領(lǐng)域耐高溫電子元器件。
【附圖說明】
[0027]圖1銅錫合金相圖；
[0028]圖2本發(fā)明制備方法原理圖；
[0029]圖3高溫?zé)o鉛焊片焊接后本體相金相組織；
[0030]圖4焊接本體相的XRD物相分析曲線，其中，圖4a，圖4b，圖4c，圖4d，圖4e和圖4f?分別為實施例1、2、3、4、5和6的XRD物相分析曲線。
【具體實施方式】
[OO31 ]高溫焊片的制備原理如圖2所示，首先按照Cu-Sn兩元相圖(如圖1所示)中Cu與Sn生成耐高溫Cu6Sn5相的比例配置原料，并放置于高速球磨機上混合均勻；然后在高壓下壓力成型；最后把預(yù)成型焊片于燒結(jié)爐中低溫?zé)Y(jié)，使低溫的Sn熔化，發(fā)生Cu-Sn固液擴散反應(yīng);保溫一段時間后完全生成耐高溫的Cu6Sn5/Cu3Sn復(fù)合相，燒結(jié)后無鉛焊片的金相組織如圖3所示。
[0032]實施例1
[0033]稱量粒度為0.Ιμπι的銅粉、粒度為2μπι的錫粉和稀土，銅粉、錫粉和稀土的質(zhì)量百分比為35:60:0.25，置于高速球磨機中，在300r/min速率下機械混合1h，得到均勻混合復(fù)合粉末;然后在復(fù)合粉末中加入含量為I %、粘度為2Pa.s松香型助焊劑，在200r/min速率下機械球磨2h，得到有一定粘結(jié)力的聚合粉體。
[0034]稱取上述聚合粉體0.13g，在壓力為1MPa的壓力機上進行高壓壓片，恒壓時間lOmin，得到厚度為149μηι的焊片；
[0035]將上述制得的焊片在270°C下于真空焊接爐中燒結(jié)，低溫的Sn先熔化，發(fā)生Cu-Sn間的液固擴散反應(yīng)，并保溫3h，使固液相完全轉(zhuǎn)化為耐高溫的Cu6Sn5/Cu3Sn復(fù)合相，取出焊片，經(jīng)XRD物相成分檢測可知，焊片中部分形成了 Cu6Sn5和Cu3Sn相，如圖4a所示。
[0036]實施例2
[0037]將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為37%、粒度為0.5μπι的銅粉，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)59%、粒度為3μπι的錫粉及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.15%的微量稀土置于高能球磨機中，在30(^/1^11速率下機械混合1411，得到均勻混合的復(fù)合粉末;在復(fù)合粉末中加入含量為3%、粘度為3Pa.s松香型助焊劑，通過高速球磨機在300r/min速率下機械球磨18h，得到有一定粘結(jié)力的聚合粉體。
[0038]稱取上述聚合粉體0.10g，在壓力為20MPa的壓力機上進行高壓壓片，恒壓時間lOmin，得到厚度為130μηι的焊片；
[0039]將上述制得的焊片在270°C下于真空焊接爐中低溫液相擴散燒結(jié)，并保溫6h，隨爐冷卻。取出焊片，經(jīng)XRD物相成分檢測可知，如圖4b所示，焊片中形成了Cu3Sn及CuSn相及少量的Cu6Sn5相。
[0040]實施例3
[0041 ]將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為38%、粒度為0.3μπι的銅粉，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為58%、粒度為3μπι的錫粉，以及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.15%的微量稀土置于高能球磨機中，在400r/min速率下機械混合18h，得到均勻混合的復(fù)合粉末;在復(fù)合粉末中加入含量為5%、粘度為4Pa.s松香型助焊劑，通過高能球磨機在500r/min速率下，機械球磨3h，得到有一定粘結(jié)力的聚合粉體。
[0042]稱取上述聚合粉體0.1lg，在壓力為40MPa的壓力機上高壓壓片，恒壓時間1min，得到厚度為ΙΙΟμπι的焊片；
[0043]將上述制得的焊片在240°C下于真空焊接爐中低溫液相擴散燒結(jié)，并保溫3h，隨爐冷卻。取出焊片，經(jīng)XRD物相成分檢測可知，焊片中形成Cu6Sn5和Cu3Sn相，如圖4c所示。
[0044]實施例4
[0045]將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為38%、粒度為0.8μπι的銅粉，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為58%、粒度為3μπι的錫粉，以及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.15%的微量稀土置于高速球磨機中，在200r/min速率下機械混合20h，得到均勻混合的復(fù)合粉末;在復(fù)合粉末中加入含量為4%、粘度為3Pa.s松香型助焊劑，通過高速球磨機在200r/min速率下，機械球磨4h，得到有一定粘結(jié)力的聚合粉體。
[0046]稱取上述聚合粉體0.115g，在壓力為30MPa的壓力機上進行高壓壓片，恒壓時間lOmin，得到厚度為105μηι的焊片；
[0047]將上述制得的焊片在240°C下于真空焊接爐中低溫液相擴散燒結(jié)，并保溫4h，隨爐冷卻。取出焊片，經(jīng)XRD物相成分檢測可知，如圖4d所示，焊片中形成Cu6Sn5與Cu3Sn相。
[0048]實施例5
[0049]將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為38%、粒度為0.2μπι的銅粉、質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為58%、粒度為2μπι的錫粉及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.15%的微量稀土通過高能球磨機在400r/min速率下，機械混合12h，得到均勻混合的復(fù)合粉末;在復(fù)合粉末中加入含量為5%、粘度為3Pa.s松香型助焊劑，通過高能球磨機在400r/min速率下，機械球磨5h，得到有一定粘結(jié)力的聚合粉體。稱取上述聚合粉體
0.1190g，在壓力為15MPa的壓力機上進行壓壓片，恒壓時間lOmin，得到厚度為IlOym的焊片;
[0050]將上述制得的焊片在250°C下于真空焊接爐中低溫液相擴散燒結(jié)，并保溫5h，隨爐冷卻。取出焊片，經(jīng)XRD物相成分檢測知，如圖4e，焊片中有大部分的Cu6Sn5相和少部分的Cu3Sn相生成。
[0051 ] 實施例6
[0052]將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為38%、粒度為I.0μπι的銅粉、質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為58%、粒度為6μπι的錫粉及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.15%的微量稀土置于高能球磨機中，在30(^/1^11速率下機械混合1411，得到均勻混合的復(fù)合粉末;在復(fù)合粉末中加入含量為0.5%、粘度為4Pa.s松香型助焊劑，通過高能球磨機在300r/min速率下機械球磨2h，得到有一定粘結(jié)力的聚合粉體。
[0053]稱取上述聚合粉體0.115g，在壓力為30MPa的壓力機上進行高壓壓片，恒壓時間lOmin，得到厚度為102μηι的焊片；
[0054]將上述制得的焊片在250°C下于真空焊接爐中低溫液相擴散燒結(jié)，并保溫6h，隨爐冷卻。取出焊片，經(jīng)XRD物相成分檢測可知，焊片中的物相為Cu6Sn5及Cu3Sn，如圖4f所示。
【主權(quán)項】
1.一種電力電子模塊封裝用高溫?zé)o鉛焊片，其特征在于，所述的高溫?zé)o鉛焊片由Cu、Sn、微量稀土元素和助焊粘合劑組成;所述銅粉、錫粉、微量稀土元素及助焊劑的質(zhì)量百分比為:(35?38): (58?60): (0.1?0.25): (3.9?4.75);利用該焊片焊接后的焊件使用溫度能夠達到400°C以上。2.按照權(quán)利要求1所述的高溫?zé)o鉛焊片，其特征在于，所述微量稀土元素為鑭、鈰或兩者的混合物;所用助焊劑為市售MT-10液體松香助焊劑。3.權(quán)利要求1所述高溫?zé)o鉛焊片的制備方法，其特征在于，所述的制備方法步驟如下: (1)將銅粉、錫粉、微量稀土元素按如下質(zhì)量百分比配制:(35?38)%: (58?60) %:(0.1 ?0.25)% ; (2)將步驟(I)配制的銅粉、錫粉和微量稀土元素置于混料機中，在200?400r/min速率下，機械混合10?20h，得到均勻混合粉末； (3)在經(jīng)步驟(2)制得的均勻混合粉末中添加質(zhì)量百分比為3.9%?4.75%的助焊劑，然后以=200?400r/min的速率機械混合2h，得到聚合粉體； (4)將步驟(3)制備的聚合粉體在高壓壓片機上壓力成型，壓片機壓力范圍為10?40MPa，得到厚度為100?150μηι的Cu-Sn復(fù)合預(yù)成型焊片。4.按照權(quán)利要求3所述的高溫?zé)o鉛焊片的制備方法，其特征在于，所述的錫粉、銅粉均為球形或近球形;錫粉的粒度為2-7μηι、銅粉的粒度為0.1-2μηι;優(yōu)選的，錫粉粒度為2-3μηι，銅粉粒度為0.1-0.5μπι;所述助焊劑的粘度范圍為2?4Pa.S。
【文檔編號】B23K35/40GK106001980SQ201610423639
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】徐紅艷, 徐菊
【申請人】中國科學(xué)院電工研究所