本發(fā)明屬于釬料領(lǐng)域，是材料物理與材料加工交叉技術(shù)，領(lǐng)域尤其是一種基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料及其制備方法。

背景技術(shù)：

汽車、航天等工業(yè)的不斷發(fā)展使對(duì)于更高電、熱性能的大功率半導(dǎo)體器件的要求越來(lái)越迫切。寬帶隙半導(dǎo)體材料，如碳化硅（sic）、氮化鎵（gan），取代硅（si）可以在芯片層級(jí)上很容易實(shí)現(xiàn)大功率密度應(yīng)用。si芯片難以在超過(guò)175℃條件下工作，而sic芯片可以在超過(guò)300℃的極端環(huán)境下正常工作。盡管sic理論上是理想的芯片材料，適應(yīng)高溫大功率器件的應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的釬料熔點(diǎn)低，不適用于高溫工作條件。因此急需開(kāi)發(fā)出一種能夠具有高熔點(diǎn)高可靠性的釬料。

目前常用的高溫合金互連釬料主要有高鉛和不含鉛兩類，其中不含鉛合金釬料又包括金基合金、鋅基合金、鉍基合金和銀基合金等。高鉛合金釬料目前已逐漸被淘汰。金基合金釬料有良好的機(jī)械、電熱性能但是同時(shí)也面臨成本普遍較高的缺點(diǎn)，限制了其更加廣泛的應(yīng)用。與之相對(duì)的，鋅基釬料成本低，同時(shí)不同的體系下可以擁有優(yōu)秀的延展性、熱潮濕環(huán)境下良好的可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但是其容易產(chǎn)生氧化問(wèn)題，某些體系在熔煉過(guò)程中也需要特殊氣氛保護(hù)。而鉍基釬料則有潤(rùn)濕性差、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能差等缺點(diǎn)，且焊點(diǎn)強(qiáng)度低。

目前，可以實(shí)現(xiàn)低溫下鍵合，高溫下服役的方法主要有納米銀燒結(jié)法以及瞬態(tài)液相連接（transientliquidphasebonding,tlp）工藝等。這些工藝各有其特點(diǎn)，但也都有自身的應(yīng)用局限性。

綜合多方研究機(jī)構(gòu)關(guān)于納米銀的研究成果，燒結(jié)之后的納米銀具備優(yōu)良的熱導(dǎo)率（200-300w/m?k）和電阻率（2.5-10μω?cm）；另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是納米銀的燒結(jié)溫度，目前納米銀在應(yīng)用于制備噴墨打印的漿料時(shí)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)室溫下的顆粒間彼此燒結(jié)連接。但是上述方法依然存在燒結(jié)壓力較大，保溫時(shí)間較大以及成本較高的問(wèn)題。焊膏燒結(jié)溫度一般較高，且在連接過(guò)程中需要在dbc基板表面鍍銀以及金等貴重金屬，對(duì)于工藝的簡(jiǎn)化以及成本的降低十分不利，同時(shí)為了達(dá)到較高致密度需要施加較大壓力，容易對(duì)器件造成損傷。在連接機(jī)理方面，納米銀焊膏的燒結(jié)機(jī)理目前并未明確闡明，同時(shí)在界面處的連接機(jī)理仍未得到很好地解釋。

另一種比較有發(fā)展前景的方法是瞬態(tài)液相燒結(jié)法（tlps）或固液互擴(kuò)散（solidliquidinterdiffusion）。其原理是采用高熔點(diǎn)金屬和低熔點(diǎn)金屬的混合粉末作為連接材料，連接過(guò)程中利用低熔點(diǎn)金屬粉末熔化形成液相實(shí)現(xiàn)連接，同時(shí)與高熔點(diǎn)金屬粉末固-液互擴(kuò)散反應(yīng)、致密化形成高熔點(diǎn)連接層(金屬間化合物)，從而實(shí)現(xiàn)功率芯片的低溫連接/耐高溫服役。這種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是原材料來(lái)源廣泛、成本低廉，且與當(dāng)前企業(yè)產(chǎn)線的機(jī)器有較高的加工兼容性；缺點(diǎn)是整個(gè)工藝流程中由于元素的擴(kuò)散速度有限，就使得化合物形成和長(zhǎng)大的速度比較慢，因此要得到全化合物焊點(diǎn)的組織所需時(shí)間也很長(zhǎng)。所以tlp工藝目前僅適用于窄焊縫的焊接，由于熱膨脹系數(shù)的差異，焊縫處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題，而對(duì)應(yīng)較窄的焊縫這個(gè)問(wèn)題則更加突出，外加化合物通常為硬脆相，這就大大增加了化合物服役過(guò)程中焊點(diǎn)開(kāi)裂失效的可能性。而增大焊縫厚度雖然可以解決應(yīng)力集中的問(wèn)題，但回流時(shí)間或回流溫度也會(huì)因此而增大，更大的回流時(shí)間或更高的回流溫度都會(huì)對(duì)基板上的其他器件帶來(lái)不利影響。

本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)在高溫連接領(lǐng)域各種釬焊方法與釬焊材料存在的問(wèn)題，創(chuàng)新性地采用去合金化方法制備出合適參數(shù)的納米泡沫銀結(jié)構(gòu)，并將其制成錫填充泡沫銀釬料片，圓滿解決了高溫封裝領(lǐng)域現(xiàn)存的一些問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是提供一種基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料及其制備方法，用來(lái)克服現(xiàn)有現(xiàn)有電動(dòng)助力車無(wú)法實(shí)現(xiàn)健身的問(wèn)題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料的制備方法，包括以下步驟：

步驟a：制備銀鋁合金步驟，所述制備銀鋁合金步驟系將熔煉獲得的銀鋁合金切割成適當(dāng)尺寸的合金薄片；

步驟b：制備泡沫銀片步驟，所述制備泡沫銀片系將所述合金薄片通過(guò)去合金法獲得，所述泡沫銀片上具有一定的孔隙；

步驟c：制備釬料步驟，所述制備釬料步驟系通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方式在所述泡沫銀片上印刷適量大小及厚度的焊錫膏，然后回流；或者，采用熱浸鍍法，將所述泡沫銀片先經(jīng)浸漬助焊劑，然后浸入熔融錫中一定時(shí)間取出。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟a包括以下分步驟：

步驟a1：熔融獲得銀鋁合金，其中所述銀鋁合金中銀的質(zhì)量占比為25-30%；

步驟a2：將所述銀鋁合金切割成適當(dāng)尺寸的合金薄片，其中所述合金薄片的厚度不大于1mm；

步驟a3：清洗所述合金薄片，去除表面污漬并干燥。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：步驟a3包括以下分步驟：

步驟a31：將所述合金薄片置于濃度為5%稀硝酸溶液中并超聲，放置時(shí)間為120s-300s；

步驟a32：將步驟a31的產(chǎn)物放入去離子水中超聲清洗。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟b包括以下分步驟：

步驟b1：配置腐蝕液；

步驟b2：使用腐蝕液對(duì)所述合金薄片進(jìn)行腐蝕，得泡沫銀片，其中訴訟戶泡沫銀片的孔隙尺寸不大于300nm；

步驟b3：清洗所述泡沫銀片，去除表面污漬并干燥。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述腐蝕液為5%-15%的鹽酸溶液。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟b2中反應(yīng)時(shí)間為15-20h，反應(yīng)溫度為70-90攝氏度。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟b3包括以下分步驟：

步驟b31：將所述泡沫銀片置于含有硫脲、檸檬酸、碳酸鉀的水溶液中并超聲，其中水溶液中各物質(zhì)的質(zhì)量比為檸檬酸：硫脲=2-6、碳酸鉀：硫脲=0.8-2、去離子水：硫脲=20-30；

步驟b32：將步驟b31的產(chǎn)物放入去離子水中超聲清洗。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟c中所述焊錫膏的厚度與所述泡沫銀片的厚度比值為0.05-0.1，回流溫度為180℃-300℃，回流時(shí)間為15min-20min。

本方案的另一目的在于提供一種基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料，所述基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料通過(guò)前述制備方法制備得到。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：本發(fā)明提供了一種基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料制備方法，所述高溫釬料為金屬錫填充微、納米級(jí)孔隙的泡沫銀形成的金屬片，金屬錫通過(guò)毛細(xì)作用填充泡沫銀，實(shí)現(xiàn)釬料片的制備。

本發(fā)明的有益效果是：本方案提供的基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料及其制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.這種釬料具有能夠在較低的溫度下形成連接（sn熔點(diǎn)232℃），一旦sn完全反應(yīng)則能夠在很高的溫度（ag3sn熔點(diǎn)480℃）下服役，而高溫功率器件芯片粘貼材料的工作溫度可達(dá)到250℃以上，這一溫度超過(guò)了sn的熔點(diǎn)，但沒(méi)有超過(guò)ag和ag3sn的熔點(diǎn)；

2.泡沫銀材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈三維網(wǎng)狀，孔徑、孔壁尺寸為納米級(jí)別，在強(qiáng)烈的毛細(xì)作用下，表面涂覆的熔融sn在其熔點(diǎn)以上溫度時(shí)進(jìn)入泡沫銀內(nèi)部。由于泡沫銀比表面積大，焊接過(guò)程較一般的tlp過(guò)程更快。sn與ag、基板的cu反應(yīng)生成金屬間化合物（imc），從而達(dá)到焊接的目的。同時(shí)，由于泡沫銀的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及ag本身性質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)相比于全imc焊縫具有更好的抗沖擊能力。能夠滿足目前功率器件芯片粘貼過(guò)程中對(duì)于高溫釬料的各項(xiàng)要求；

3.泡沫銀具有良好的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，因此也較全imc焊縫具有更好地導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有smt工藝兼容，適合推廣。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于金屬錫填充泡沫銀的電鏡照片。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料的制備方法得到的焊縫組織圖。

附圖標(biāo)記：0201為ag3sn化合物，0202為泡沫銀支架，0203為銅基板上鍍銀層，0204為鍍層與基板間鎳層，0205為t2銅基板。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料及其制備方法。以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

一種基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料制備方法，包括：

(1)熔煉得到銀鋁合金，并切割成適當(dāng)尺寸的合金薄片；

(2)清洗步驟(1)處理過(guò)的合金薄片，去除表面污漬并干燥；

(3)配制恰當(dāng)比例腐蝕液，通過(guò)去合金法得到泡沫銀片，該泡沫銀片具有一定的孔隙；

(4)清洗步驟(3)得到的泡沫銀片，去除表面污漬，干燥待用；

(5)通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方式在泡沫銀片上印刷適量大小及厚度的焊錫膏，然后回流，得到基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料；或者采用熱浸鍍的方法，將泡沫銀片先經(jīng)浸漬助焊劑，然后浸入熔融錫中一定時(shí)間取出即可。

所述納米級(jí)孔隙的泡沫銀是指其孔徑尺寸在300nm及其以下。

本發(fā)明方法所需物質(zhì)條件簡(jiǎn)單，成本低廉具有非常廣闊的企業(yè)實(shí)際推廣應(yīng)用前景，另外，相比納米材料燒結(jié)等其他高熔點(diǎn)焊點(diǎn)的制備方法，此方法制備出來(lái)的材料進(jìn)行焊接時(shí)與傳統(tǒng)工業(yè)中回流焊接產(chǎn)線兼容度更好，非常有利于在現(xiàn)有加工設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行制備和推廣應(yīng)用。

更為具體的有限制備方法步驟詳述如下：

(1)在真空中熔煉純鋁、純銀金屬，得到均勻的銀鋁合金，其中銀的原子比優(yōu)選為25%-30%；

(2)用線切割方法將步驟(1)所得合金裁取為適當(dāng)尺寸的合金薄片，厚度優(yōu)選為1mm及以下，磨拋得到光滑平面，并置于濃度為5%稀硝酸溶液中，時(shí)間優(yōu)選為120s-300s，并施加超聲，再用去離子水超聲清洗待用。；

(3)配制濃度為5%-15%的稀鹽酸腐蝕液，將步驟(2)所得合金薄片置于其中，并在70℃-90℃溫度下水浴加熱，腐蝕時(shí)間優(yōu)選為15h-20h，得到孔徑尺寸300nm及以下的泡沫銀片；

(4)將步驟(3)所得泡沫銀片，置于含有硫脲、檸檬酸、碳酸鉀的溶液中（質(zhì)量比，檸檬酸：硫脲=2-6，碳酸鉀：硫脲=0.8-2，去離子水：硫脲=20-30），并施加超聲進(jìn)行清洗，再用去離子水超聲清洗待用。

(5)通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方式在泡沫銀上印刷焊錫膏，經(jīng)過(guò)回流后得到基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料，印刷焊錫膏的厚度與泡沫銀的厚度比值為0.05-0.1，回流溫度優(yōu)選為180℃-300℃，回流時(shí)間優(yōu)選為10s-120s；若采用熱浸鍍的方法，先將泡沫銀浸漬助焊劑，然后浸入熔融錫中一定時(shí)間取出即可，浸鍍時(shí)間優(yōu)選為30s-180s。

使用所述制備的高溫釬料片進(jìn)行焊接即可實(shí)現(xiàn)低溫(250℃)焊接，所得焊點(diǎn)能經(jīng)受高溫(480℃)的目的。

本發(fā)明人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)絲網(wǎng)印刷釬料膏然后回流，或者熱浸鍍的方式均可對(duì)孔徑尺寸在300nm及其以下的泡沫銀實(shí)現(xiàn)金屬錫填充，使用該釬料片進(jìn)行焊接時(shí)，在短時(shí)間低溫度下即可實(shí)現(xiàn)焊縫完全imc化。

接下來(lái)給出具體實(shí)施例1，結(jié)合具體實(shí)施例1的數(shù)據(jù)說(shuō)明本方案的結(jié)構(gòu)和效果。

該具體實(shí)施例以采用印刷釬料膏然后回流的方式使金屬錫填充泡沫銀制成釬料片，包括以下步驟。

（1）通過(guò)前文步驟所述，熔煉得到銀原子占比25%的銀鋁合金，并在切割、磨拋后得到10mm*10mm*0.5mm的泡沫銀片，其孔徑尺寸普遍在300nm以下，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）將步驟(1)所得泡沫銀片，置于含有硫脲、檸檬酸、碳酸鉀的溶液中（質(zhì)量比，硫脲：檸檬酸：碳酸鉀：去離子水=1:3:1:25）中清洗，最后用去離子水清洗3遍，干燥待用。

（3）通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方式，在泡沫銀片上印刷10*10*0.5(mm)的sn1ag0.5cu釬料，280℃回流15min，得到基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料。

（4）使用上述步驟所得的高溫釬料片進(jìn)行焊接即可實(shí)現(xiàn)低溫(250℃)焊接，所得焊點(diǎn)能經(jīng)受高溫(480℃)服役。

所得焊縫組織如圖2所示，其中0201為ag3sn化合物，0202為泡沫銀支架，0203為銅基板上鍍銀層，0204為鍍層與基板間鎳層，0205為t2銅基板。

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種焊縫的電阻率為5.26μω·cm，導(dǎo)電性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的錫基釬料（11.5μω·cm）以及傳統(tǒng)tlp工藝制得的完全由銀-錫化合物組成的純imc焊點(diǎn)，與納米銀燒結(jié)之后的焊縫處于相同量級(jí)（2.5-10μω·cm）。最高常溫剪切強(qiáng)度可達(dá)54.2mpa。

本方案得到的基于金屬錫填充泡沫銀的高溫釬料制備過(guò)程簡(jiǎn)單，所需原始材料、反應(yīng)試劑容易得到，經(jīng)濟(jì)性好；所得泡沫結(jié)構(gòu)材料各項(xiàng)性能參數(shù)可控，如孔徑、孔壁尺寸、泡沫銀厚度等參數(shù)可以通過(guò)調(diào)整去合金法過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如腐蝕劑濃度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整；焊接過(guò)程回流溫度低、時(shí)間短，工藝兼容性好（相比于現(xiàn)有的納米銀燒結(jié)、tlp技術(shù)等）；力學(xué)性能極為突出（剪切強(qiáng)度可高達(dá)50mpa以上），導(dǎo)電性能優(yōu)秀（電阻率5.2μω·cm，而現(xiàn)有的錫基合金釬料電阻率通常在10μω·cm以上，納米銀燒結(jié)法通常在2-10μω·cm）。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。