[发明专利]一种制备Ag-Cu-Ti纳米合金焊料的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子封装技术领域，涉及一种制备Ag-Cu-Ti纳米合金焊料的方法。

背景技术

由于Si基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限，研究人员从19世纪80年代开始就把目光转向宽禁带半导体器件，如SiC、GaN等。宽禁带半导体器件具有高击穿电场、高热导率、耐高温、高电子饱和速率和极佳的抗辐射能力等特性，除普遍应用于汽车电子外，还应用军用武器系统、核能开发、航空航天、石油地质勘探等领域，器件封装面临着高温、大温度范围的工作条件。由此导致的可靠性问题将非常突出。例如美国NASA研制的6H-SiC掩埋栅JEFT在600℃高温下表现出很好的低泄漏开关特性，但在此温度下只工作了30个小时，器件性能就开始发生退化，其退化的原因经分析表明在于接触金属的氧化问题。但是将该SiC器件放置在惰性气体中工作时，在600℃高温下寿命要长得多。这提示我们解决好接触金属、封装和互连问题，宽禁带半导体器件的高温寿命就会大大提高，性能可以得以最优发挥。目前的电子互连材料(Sn基共晶合金、Au-Si共晶合金等)均不能满足SiC器件互连、封装的要求。关于高温、宽温度范围、高热应力下的界面退化机理、失效机理也缺乏数据。Sn基共晶焊料作为高温应用不合适，主要是熔点低，还有导热率差；纳米银焊膏受到普遍关注，取得良好效果。但是纳米银焊膏烧结后为多孔结构，虽然可以缓释应力，但是带来电迁移、化学迁移等很多问题，价格昂贵也是考虑的重要方面。

AgCuTi合金作为活性焊料焊接金属和陶瓷应用很广，然而，如果直接用AgCuTi焊料焊接SiC芯片，由于工艺温度高，将会造成较大的残余应力，影响器件寿命；如果将Ag、Cu、Ti粉末，混合后进行纳米合金化工艺过程，形成纳米合金焊料，这样可以在较低的工艺条件下实现芯片与基板的键合，从而降低残余应力，同时具备高温服役的性能。目前尚未有利用高能球磨法制备纳米级AgCuTi合金焊料的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备Ag-Cu-Ti纳米合金焊料的方法，该方法制备的合金焊料可用作满足宽禁带半导体器件高温封装中的电子封装材料，通过得到任意成分配比的合金焊料，降低残余应力问题，实现高温服役可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种制备Ag-Cu-Ti纳米合金焊料的方法，采用高能球磨法进行AgCuTi纳米级合金焊料的制备。球磨过程中，在不同的球磨参数(球磨介质、球料比、球磨时间，球磨速度、球磨气氛等)下，通过磨球的撞击使粉粒变形、焊合、断裂等过程不断地重复进行，随着时间的延长，粉体粒径不断细化(可下降10³～10⁴个数量级)，最终获得组织和组分分布均匀的纳米颗粒。具体制备步骤如下：

一、按照x∶y∶z＝64～75∶26～34.5∶0.5～5的质量比分别称取一定量的Ag粉、Cu粉和Ti粉，并将它们混合成初始粉末；

二、选择直径分别为Φ10和Φ5的两种玛瑙磨球作为球磨介质，与初始粉末按照质量比为10～50∶1的球料比混合，然后放入球磨罐中，并加入一定量的无水乙醇和硬脂酸；

三、安装好球磨罐后，将球磨罐抽真空然后向其通入惰性气体，在转速为200～600r/min的条件下球磨30～100h；

四、将球磨后的合金粉体取出晾干，使无水乙醇和硬脂酸充分挥发，最终得到纳米级的xAg-yCu-zTi合金焊料。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将高能球磨法应用于纳米级AgCuTi合金焊料的制备上，通过合理选择和控制成分比例、球磨介质、球料比、保护气体、球磨速度、球磨时间等，得到了任意成分配比的xAg-yCu-zTi纳米合金焊料；

(2)本发明制备得到的xAg-yCu-zTi纳米合金焊料经过测试，发现粉体焊料粒径平均在60～100nm范围，且分散性较好，极少团聚现象发生；

(3)本发明制备得到任意成分配比的xAg-yCu-zTi纳米合金焊料应用于宽禁带半导体器件封装中，可以实现低于AgCuTi块体或非纳米级材料熔点温度下的芯片键合，经过测试使用xAg-yCu-zTi纳米合金焊料进行焊接的接头抗剪切强度为110～150MPa，而且显示出了良好的抗蠕变、抗老化等高温服役可靠性；

(4)本发明利用高能球磨法实现Ag、Cu、Ti粉体纳米合金化，形成合金焊料的方法具有工艺简单、成本较低、易于控制成分配比等优点。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是本发明中的高能球磨法原理示意图；