[发明专利]一种强韧一体性Cu/Sn/Ag焊接材料原位增韧方法

说明书

一种强韧一体性Cu/Sn/Ag焊接材料原位增韧方法，步骤(1)将不同粒径的铜颗粒均匀电镀一层2～3μm Sn镀层，然后在Cu/Sn粉末表面物理均匀沉积一层～1μm Ag层，得到Cu/Sn/Ag粉末；步骤(2)将步骤(1)制备的Cu/Sn/Ag粉末进行配比，放置于混料机中，在100～300r/min速率下，机械混合1～2h，得到粒径均匀混合的粉末；步骤(3)将步骤(2)制备的粉体在高压压片机上压力成型，所述高压压片机压力范围为10～30MPa，得到厚度为100～400μm的Cu/Sn/Ag复合预成型焊片；步骤(4)对所述的复合预成型焊片进行低温瞬态液相扩散焊接，在低于Sn的熔点处，通过Sn与Cu、Sn与Ag同时发生扩散反应，使得低熔点的Sn完全转化为耐高温的Cu₃Sn和Ag₃Sn界面金属间化合物，制备出Cu₃Sn/Ag₃Sn包覆Cu颗粒的三维网络结构接头。

技术领域

本发明涉及一种电力电子封装用耐高温三维网络接头的无铅预成型焊片、及一种强韧一体性Cu/Sn/Ag焊接材料原位增韧方法。

背景技术

电力电子(或功率)模块是重要的能源变换和控制器件，广泛应用于航空航天、轨道交通、先进能源、电动汽车、石油钻井、重大及先进装备制造、前沿科学研究等领域。随着电子产品向微型化、高密度、大功率方向发展，以及以SiC为代表的第三代半导体器件的工业化应用，电力电子模块面临着更高耐受温度和更高可靠性的挑战，同时模块的全面无铅化逐步提上日程，相应的无铅封装接头需要在300℃以上具备优异的热、电及力学性能和可靠性。低温瞬态液相扩散连接(Low Temperature-Transient Liquid Phase Bonding,LT-TLPB)结合了扩散焊接和钎焊工艺的特点，采用Cu、Sn、Ni、Ag等常规焊接材料，在低温下焊接(280℃)形成高熔点金属间化合物(400℃)，是高温功率器件特别是第三代功率半导体(SiC或GaN)芯片焊接中非常有潜力的技术。

典型的“三明治”金属结构-LT-TLPB制备的耐高温纯界面金属间化合物(IMCs)接头，它是基于中间层为Sn、In等低熔点金属，表面层为Cu、Ni、Au、Zn等高熔点金属的三明治结构，利用低熔点金属熔化而产生液-固互扩散，生成耐高温IMCs作为连接接头的焊接技术，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，锡珠较多等不良，不利于该无铅焊料用组合物的工业化生产和推广。CN104476007A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，但该助焊膏具有工艺复杂、易污染腔室，制备的接头孔洞率大灯问题；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；中国专利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，但弹性和塑性不足，并且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；中国专利CN103753049A公开一种Cu/Sn焊片，耐温性高，但Cu₃Sn生成过程产生的柯肯达尔空洞高，导热、导电性能受到影响，另外，Cu颗粒弹性模量高，接头韧性不足，高温下可靠性难以满足要求。

发明内容