本發(fā)明屬于電子封裝領(lǐng)域，具體涉及一種功率模塊用陶瓷基板覆銅的低溫連接方法。
背景技術(shù)：
在電子封裝領(lǐng)域，一般采用直接覆銅技術(shù)(DBC)將陶瓷基板與無氧銅連接。DBC技術(shù)是將銅箔片置于Al2O3陶瓷基片上，在含氧的氣氛中加熱到1065~1085oC，使銅箔片直接覆接在Al2O3陶瓷基片上。其原理是，結(jié)合Cu-O二元相圖可知，在一定的氧含量條件下，當(dāng)加熱到1063oC時(shí)，Cu和O形成共晶液相CuO，該共晶液相與Al2O3陶瓷接觸并發(fā)生反應(yīng)CuO+Al2O3=CuAl2O3，對(duì)陶瓷基板形成良好潤(rùn)濕，并實(shí)現(xiàn)連接。而對(duì)于新型AlN陶瓷基板，一般首先對(duì)AlN表面進(jìn)行氧化處理，使其表面得到一層Al2O3膜，然后采用DBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)其與銅的覆接。DBC技術(shù)，對(duì)陶瓷基板和銅的表面平整度要求較高，并且其工藝窗口較窄，最終導(dǎo)致成品率較低。針對(duì)以上不足之處，專利CN104409425A中采用活性釬料AgCuTi或AgCuZr實(shí)現(xiàn)了陶瓷基板與銅的覆接，采用活性釬焊的方式實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅的覆接可以降低對(duì)試樣的表面平整度要求，但所采用的高溫釬料常常會(huì)導(dǎo)致陶瓷基板中存在較大殘余應(yīng)力導(dǎo)致其發(fā)生斷裂，影響使用壽命。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種功率模塊用陶瓷基板覆銅的低溫連接方法，該方法可以降低對(duì)基板平整度的要求，并降低陶瓷中的殘余應(yīng)力，提高使用壽命。
本發(fā)明的原理是通過向銅基、銀基活性釬料中添加低溫元素Sn或In，降低合金釬料的熔點(diǎn)，從而降低陶瓷基板與無氧銅的連接溫度，進(jìn)而緩解陶瓷基板中的殘余應(yīng)力，提高覆銅基板的使用壽命。
本發(fā)明所述的一種功率模塊用陶瓷基板覆銅的低溫連接方法，步驟如下：
1）對(duì)陶瓷基片和無氧銅進(jìn)行表面處理，然后用丙酮清洗；
2）將Ag粉、Cu粉、Sn粉、Ti粉或Ag粉、Cu粉、In粉、Ti粉混合形成金屬粉末，向所述金屬粉末中加入有機(jī)黏結(jié)劑放入球磨罐中進(jìn)行機(jī)械球磨制得活性釬料膏；
3）按照無氧銅/活性釬料膏/陶瓷基板的順序自上而下裝配試樣，在真空釬焊爐中實(shí)現(xiàn)連接。
進(jìn)一步，本發(fā)明步驟2）所述的金屬粉末中Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~30%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~40%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%~80%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~8%，或Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~30%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~40%，In的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%~80%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~8%，制備活性釬料時(shí)有機(jī)黏結(jié)劑與金屬粉末的質(zhì)量比為1:6~1:4，機(jī)械球磨時(shí)間為4~8小時(shí)。
進(jìn)一步，步驟1）中，依次用1000#和1500#金剛石砂盤對(duì)陶瓷表面進(jìn)行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂紙對(duì)無氧銅表面進(jìn)行打磨，然后將打磨后的試樣放入丙酮中超聲清洗10~20min。
進(jìn)一步，本技術(shù)方案步驟3）中，活性釬料膏在陶瓷基板上的涂覆厚度為50~200μm。
進(jìn)一步，本技術(shù)方案步驟3）中，試樣裝配好后，在無氧銅上方施加10MPa~25MPa貼合壓力。
進(jìn)一步，本技術(shù)方案步驟3）中，真空釬焊的連接溫度為720oC~800oC，優(yōu)選，740oC~780oC，最優(yōu)選750℃，連接時(shí)間為5min~20min，真空度為5×10-3Pa~5×10-4Pa。較低的連接溫度不利于釬料中活性元素與陶瓷的充分反應(yīng)，導(dǎo)致接頭結(jié)合力差；而較高的連接溫度會(huì)導(dǎo)致無氧銅向釬料過渡溶解，不利于緩解接頭應(yīng)力。
進(jìn)一步，本申請(qǐng)技術(shù)方案中所使用的陶瓷基板的材質(zhì)為Al2O3或AlN。
本發(fā)明的有益效果在于：采用如上所述的功率模塊用陶瓷基板覆銅的低溫連接方法向活性釬料中添加低熔點(diǎn)元素，降低了陶瓷基板與無氧銅的連接溫度，減小了基板中的殘余應(yīng)力，提高了使用壽命。
附圖說明
圖1為實(shí)施例1中無氧銅/活性釬料膏/陶瓷基板的連接界面微觀組織電鏡照片。
具體實(shí)施方式
下面將通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的具體描述。
實(shí)施例1
（1）依次用1000#和1500#金剛石砂盤對(duì)AlN陶瓷表面進(jìn)行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂紙對(duì)無氧銅表面進(jìn)行打磨，然后將打磨后的試樣放入丙酮中超聲清洗15min；
（2）將Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有機(jī)黏結(jié)劑放入球磨罐中進(jìn)行機(jī)械球磨制的活性釬料膏。其中Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，有機(jī)黏結(jié)劑與金屬粉末的質(zhì)量比為1:6，機(jī)械球磨時(shí)間為6小時(shí)；
（3）在AlN陶瓷表面涂覆50μm的活性釬料膏，然后將0.3mm厚的無氧銅與AlN貼合，中間為焊膏，在無氧銅上方施加15MPa壓力。將裝配好的試樣放入釬焊爐中，抽真空至5×10-3Pa，然后以15oC/min的速率加熱至750oC，保溫5min后隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷基板與無氧銅的覆接。連接界面的微觀組織照片如圖1所示，AlN陶瓷基板與無氧銅連接緊密，焊縫中無缺陷存在。接頭的抗剪強(qiáng)度為48MPa。
實(shí)施例2
（1）依次用1000#和1500#金剛石砂盤對(duì)Al2O3陶瓷表面進(jìn)行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂紙對(duì)無氧銅表面進(jìn)行打磨，然后將打磨后的試樣放入丙酮中超聲清洗20min；
（2）將Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有機(jī)黏結(jié)劑放入球磨罐中進(jìn)行機(jī)械球磨制的活性釬料膏。其中Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，有機(jī)黏結(jié)劑與金屬粉末的質(zhì)量比為1:4，機(jī)械球磨時(shí)間為8小時(shí)；
（3）在Al2O3陶瓷表面涂覆100μm的活性釬料膏，然后將0.5mm厚的無氧銅與Al2O3貼合，中間為焊膏，在無氧銅上方施加15MPa壓力。將裝配好的試樣放入釬焊爐中，抽真空至2×10-3Pa，然后以15oC/min的速率加熱至720oC，保溫10min后隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)Al2O3陶瓷基板與無氧銅的覆接。接頭的抗剪強(qiáng)度為44MPa。
實(shí)施例3
（1）依次用1000#和1500#金剛石砂盤對(duì)AlN陶瓷表面進(jìn)行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂紙對(duì)無氧銅表面進(jìn)行打磨，然后將打磨后的試樣放入丙酮中超聲清洗20min；
（2）將Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有機(jī)黏結(jié)劑放入球磨罐中進(jìn)行機(jī)械球磨制的活性釬料膏。其中Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，有機(jī)黏結(jié)劑與金屬粉末的質(zhì)量比為1:4，機(jī)械球磨時(shí)間為8小時(shí)；
（3）在AlN陶瓷表面涂覆100μm的活性釬料膏，然后將0.3mm厚的無氧銅與AlN貼合，中間為焊膏，在無氧銅上方施加15MPa壓力。將裝配好的試樣放入釬焊爐中，抽真空至5×10-3Pa，然后以20oC/min的速率加熱至720oC，保溫15min后隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷基板與無氧銅的覆接。接頭的抗剪強(qiáng)度為44MPa。
實(shí)施例4
（1）依次用1000#和1500#金剛石砂盤對(duì)AlN陶瓷表面進(jìn)行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂紙對(duì)無氧銅表面進(jìn)行打磨，然后將打磨后的試樣放入丙酮中超聲清洗20min；
（2）將Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有機(jī)黏結(jié)劑放入球磨罐中進(jìn)行機(jī)械球磨制的活性釬料膏。其中Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，有機(jī)黏結(jié)劑與金屬粉末的質(zhì)量比為1:4，機(jī)械球磨時(shí)間為6小時(shí)；
（3）在AlN陶瓷表面涂覆200μm的活性釬料膏，然后將0.2mm厚的無氧銅與AlN貼合，中間為焊膏，在無氧銅上方施加20MPa壓力。將裝配好的試樣放入釬焊爐中，抽真空至2×10-3Pa，然后以20oC/min的速率加熱至780oC，保溫15min后隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷基板與無氧銅的覆接。接頭的抗剪強(qiáng)度為52MPa。