[发明专利]一种Cu@Ni@Sn预成型焊片及其制备方法

说明书

一种Cu@Ni@Sn预成型焊接材料，由Cu颗粒、Ni镀层及Sn镀层组成。所述Cu颗粒粒径为5～20μm，Ni镀层的厚度为0.5～1μm，Sn镀层的厚度为1～5μm。Cu@Ni@Sn核壳结构粉末用化学镀工艺制备。该预成型焊片制备方法如下：1)按照3:2:1的比例称取不同粒径：5～10μm、10～15μm及15～20μm的Cu@Ni@Sn核壳结构微球，其中Sn镀层厚度分别为1～3μm和3～5μm；2)将所配制的两种Sn镀层厚度的Cu@Ni@Sn微球分别置于混料机中，在100～300r/min速率下，机械混合1～2h，得到Sn镀层厚度不同的两种均匀混合粉末；3)将一定质量Sn镀层厚度大的粉末放置于压片磨具的上下两侧，一定质量Sn镀层厚度小的放置于磨具中间，在自动压片机上压力成型，压片机压力范围为10～20MPa，得到厚度为100～400μm的Cu@Ni@Sn核壳结构预成型焊片。

技术领域

本发明涉及一种Cu@Ni@Sn预成型焊片及其制备方法。

背景技术

电力电子模块在电动汽车、航空航天、轨道交通等方面的使用越来越广泛。第三代宽禁带半导体如SiC，因具有高熔点、高功率密度，以及优越的导热导电性能成为替代Si芯片的最优材料，要发挥SiC芯片的优越性能，耐高温的芯片焊接材料和焊接技术是关键和制约因素。

传统的高温焊接材料包括Au-Sn，Bi-Ag-xSn-xPb、Sn-Pb-Ag。因Au、Ag贵金属成本高，焊接温度在280～330℃，影响温度敏感元器件性能；随着欧盟对Pb等有毒金属限制条令的颁布，焊Pb器件及产品逐步退出市场。虽然对电力电子产品给出了豁免期限，但高温无铅替代产品及焊接材料研发已迫在眉睫。

目前研究较多的高温无铅焊接材料包括烧结纳米银技术及Cu/Sn、Ni/Sn或Au/Sn的瞬时液相扩散焊(TLP)技术等。纳米银烧结焊接技术相比于其他几种技术具有比较优异的高温性能。但是，该技术不仅需要较高的成本，而且纳米银容易迁移，导致空洞率较高，同时，其焊接工艺与传统的焊接技术不兼容，导致应用受到限制。

瞬时液相扩散焊接(TLP)技术利用低熔点金属(如Sn、In等)与两侧高熔点金属(如Cu、Ni、Au等)形成三明治结构，回流过程，低熔点金属熔化，与高熔点金属发生固液互扩散，形成完全界面金属间化合物的焊接界面。利用这种焊接技术的焊接层厚度一般小于20μm，不利于吸收因芯片及基板等系统材料热膨胀系数适配产生的热应力，难以满足电力电子器件高可靠封装的需要。中国专利CN100475996C公开了一种高温无铅焊料用组合物、生产方法及元件，该无铅高温焊料包含一种含银2wt％-18wt％、含铋98wt％-82wt％的银铋合金，具有固相线不低于262.5℃、液相线不高于400℃，但是，该无铅焊料用组合物强度和塑性较低，此焊料用普通助焊膏做成的锡膏在抗坍塌能力较差，锡珠较多，不利于该无铅焊料用组合物的工业化生产和推广。CN 104476007A公开了一种高熔点无铅无卤焊锡膏及其制备方法，该焊锡膏焊料合金具有固相线温度高于260℃以上，具有强度高，塑性高，抗疲劳特性强的优点，助焊膏具有优良的防坍塌功能该技术是一种非常具有实用前景的可与传统焊膏工艺相兼容的高温；中国专利CN101234456A公开了一种锡银金无铅焊接材料及其制备方法，其熔化温度可达到300℃，润湿性和电学性能优良，焊接效果良好，可代替传统的Sn-95％Pb焊料合金。其组成为银8～13％、金35～45％，其余为锡。贵金属用量大，成本高，焊接温度高；专利CN104588906A公开了一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法，该焊膏焊接的样品使用温度可高达400℃，焊缝剪切强度高，性能稳定，但该技术仍然沿用的是焊膏，需要采用容易产生污染的丝网印刷工艺；由于焊接过程，焊接材料不能润湿铺展，因此，焊膏挥发后留下大面积的孔洞，接头疏松，影响导热效率及可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，致力于研发环保、低成本、高可靠的高温焊料，提出一种核壳结构Cu@Ni@Sn无铅焊片及其制备方法。所述Cu@Ni表示Ni包覆Cu，Cu@Ni@Sn表示Sn包Ni包Cu，其中，Cu是内核，Ni为中间包覆层，Sn为包覆外层。