[发明专利]一种用于功率器件封装的新型钎料

说明书

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。