[发明专利]一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法

说明书

本发明涉及一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法，包括：复合预成型焊片本体，所述本体采用Cu/Sn/Ag核壳结构粉末压制而成；所述Cu/Sn/Ag核壳结构粉末是通过对不同粒度的Cu粉先进行电镀Sn制备Cu/Sn粉末，再对Cu/Sn粉末进行溅射镀Ag处理制备得到Cu/Sn/Ag粉末；本体表面采用多层复合梯度叠层，每层复合梯度叠层的厚度由内而外逐渐增加；所述多层复合梯度叠层是采用物理气相沉积工艺对本体上下表面分别均进行第一熔点、第二熔点金属交替溅射镀层处理，完成制备，所述第一熔点温度高于第二熔点。本发明通过在预成型焊片表面制备梯度多层镀层，同时在覆铜陶瓷基板(DBC)表面电镀Sn层，在接头制备过程中采用一定的压力辅助焊接，可制备出高致密度、低接触热阻、高力学可靠性的焊接接头。

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其是涉及一种电力电子用复合梯度叠层预成型焊片及其制造方法。

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，锡珠较多等不良，不利于该无铅焊料用组合物的工业化生产和推广。CN104476007 A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；中国专利CN104588906 A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；中国专利CN103753049A公开一种Cu/Sn复合预成型焊片，虽然解决焊膏的挥发造成的空洞率大的问题，但依然存在韧性差、强韧性不匹配的问题，同时和芯片及基板存在非共面性，界面难以实现致密焊接，导致接触热阻大、机械性能差、可靠性低的问题。

发明内容