本發(fā)明涉及幾種新型復(fù)合釬料的成分設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

以si和gaas為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的發(fā)展推動(dòng)了光電子、微電子的迅猛發(fā)展，然而由于材料性能的局限性，第一代、第二代半導(dǎo)體材料不足以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展對(duì)高溫、高頻、高壓以及抗輻射等材料性能提出的新要求，而以sic、gan為代表的第三代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高及抗輻射能力強(qiáng)等性能，使其在光電器件、高頻大功率、高溫電子器件等方面倍受青睞。

80au-20sn釬料是人們研究較早的高溫釬料。80au-20sn合金為二元共晶成分，共晶點(diǎn)為280℃。釬焊溫度比較適中，滿足高溫釬料的熔化溫度要求。au基合金強(qiáng)度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性?xún)?yōu)良，耐蝕性強(qiáng)，焊接時(shí)可以不需要助焊劑，保證芯片的清潔。但au基合金較硬、抗拉強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率較低、可加工性差，難以加工成線材或帶材。而且互連接頭在較高溫度下服役時(shí)，由于硬度高使其接頭難以發(fā)生塑性變形，易使接頭產(chǎn)生的熱應(yīng)力直接傳遞到芯片等電子元件上，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致芯片等元件的失效。最為重要的是au基合金成本太高，因此適用場(chǎng)合極為有限。名稱(chēng)為“錫-銻-銀-鎳合金態(tài)箔狀釬料及其制備方法(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺篶n201010623783.0，申請(qǐng)日：2010.12.31)”的專(zhuān)利提出了一種用于集成電路的氣密性封裝焊料，其組成及質(zhì)量百分比為：銻，8-11%、銀，3-20%；名稱(chēng)為“高溫?zé)o鉛焊料合金(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺篶n201280007265.3，申請(qǐng)日：2012.08.08)”的專(zhuān)利提出了一種高溫?zé)o鉛封裝焊料，其組成及質(zhì)量百分比為：銻，35-40%、銀，13-18%、cu，6-8%、錫，余量。該釬料的熔點(diǎn)高達(dá)299-337℃，在280℃釬料的固相率為100%。但該焊料脆性高適用場(chǎng)合有限。名稱(chēng)為“一種snagcuni系無(wú)鉛焊錫合金(中國(guó)專(zhuān)利號(hào)：cn200710041687.3，申請(qǐng)日：2007.6.6)”的專(zhuān)利提出了一種snagcuni系無(wú)鉛焊錫合金，其組成及質(zhì)量百分比為：1.5-2.5%的ag、0.1-0.8%的cu、0.01-0.5%的ni、0.001-0.1%的p、0-0.01%的bi，該釬料中熔點(diǎn)為220℃左右，不能滿足第三代半導(dǎo)體功率器件封裝的溫度要求。

發(fā)展替代或部分替代au基釬料的新型釬料及其他互連工藝已成為業(yè)界的迫切需要并具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。sn-sb系合金由于sn-sb（sb≦10%）合金熔化區(qū)間較窄（232～243℃），并且與現(xiàn)有焊料兼容性良好、力學(xué)性能優(yōu)良，而成本大大低于au-sn合金，因而作為高溫?zé)o鉛候選材料備受關(guān)注。為進(jìn)一步提高釬料性能，通過(guò)添加其他的金屬元素，對(duì)sn-sb系合金進(jìn)行改性，使其焊點(diǎn)在服役過(guò)程中具有較高的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有功率器件連接高溫釬料可加工差，成本過(guò)高的問(wèn)題，而提供一種在相對(duì)較低溫度可以替代現(xiàn)有au基合金釬料的新型釬料。新釬料成本僅為sac305釬料成本的一半左右，au80sn20釬料成本的0.1%以下。

新型釬料以sn-sb合金為基體，通過(guò)添加合金元素制成。實(shí)驗(yàn)采用sn-sb、sncu、sn-ag、sn-ni中間合金的形式進(jìn)行熔煉.本發(fā)明的高溫釬料按照質(zhì)量百分比由以下成分組成sb含量為2～5%、cu含量為0.1～2%、ni含量為0.1～0.5%、ag含量為0.1～0.5%，其余為sn。

本發(fā)明釬料是由原料在石英管中在氬氣的保護(hù)氣氛下經(jīng)高頻感應(yīng)加熱儀加熱熔煉而成，熔煉成的塊體合金可以經(jīng)線切割制成片狀釬料，也可以制成粉料或者焊膏。

本發(fā)明是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種用于功率器件焊接的無(wú)鉛釬料，釬料的成分百分比為：sb含量為2～5%;cu含量為0.1～2%;ni含量為0.1～0.5%;余量為錫(sn)。上述方案優(yōu)化了cu，ag，ni的組分，得到了潤(rùn)濕性良好，剪切強(qiáng)度較高的高溫釬料。

本發(fā)明的機(jī)理是：添加ag和cu能明顯改善釬料的潤(rùn)濕性，提高導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性。添加sb可以提高釬料的熔點(diǎn)。添加ni細(xì)化焊點(diǎn)體釬料的微觀組織，提高焊點(diǎn)的綜合力學(xué)性能。

本發(fā)明可以采用常規(guī)生產(chǎn)釬料的冶煉方法得到，本發(fā)明優(yōu)先采用的方法是：根據(jù)設(shè)計(jì)的成分配比按照sn錠和sn-sb合金、sn-cu和sn-ag、sn-ni合金的順序依次加入，在高純氬氣的保護(hù)氣氛中熔煉，熔煉結(jié)束后倒在鋁制模具上冷卻。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：釬料成本低，強(qiáng)度高，焊接性?xún)?yōu)良。

附圖說(shuō)明

圖1：表1不同實(shí)施例(1、2、3、4)的基本性能。

圖2：具體實(shí)施例1釬料sn-3sb-0.5cu-0.1ni-0.1ag/cu焊點(diǎn)界面imc的線掃描edx分析。

圖3：為表1中不同實(shí)施例(1、2、3、4)的鋪展率。

圖4：為表1中不同實(shí)施例(1、2、3、4)的剪切強(qiáng)度。

下面結(jié)合附圖1-4通過(guò)4個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行闡述。

下述4個(gè)實(shí)施例所使用的材料均為sn錠、sn-cu中間合金、sn-ag中間合金，方法為根據(jù)設(shè)計(jì)的成分配比按照sn錠和sn-sb合金、sn-cu和sn-ag、sn-ni合金的順序依次加入，在高純氬氣的保護(hù)氣氛中熔煉，熔煉結(jié)束后倒在鋁制模具上冷卻。通過(guò)擠壓、拉拔即得到所需要的釬料絲材，也可將新釬料制備成焊膏使用。

實(shí)施例1

用于功率器件焊接的無(wú)鉛釬料的成分及重量百分比為：sb3％，cu0.5％，ni0.1％，ag0.1％，余量為sn。

釬料性能檢測(cè)：固相線溫度229.67℃，液相線溫度在240.55℃(考慮了試驗(yàn)誤差)，鋪展率66.618％，剪切強(qiáng)度72.2mpa。

實(shí)施例2

用于功率器件焊接的無(wú)鉛釬料的成分及重量百分比為：sb3％，cu1％，ni0.3％，ag0.3％，余量為sn。

釬料性能檢測(cè)：固相線溫度220.03℃，液相線溫度在238.48℃(考慮了試驗(yàn)誤差)，鋪展率67.652％，剪切強(qiáng)度74.07mpa。

實(shí)施例3

用于功率器件焊接的無(wú)鉛釬料的成分及重量百分比為：sb3％，cu2％，ni0.5％，ag0.5％，余量為sn。

釬料性能檢測(cè)：固相線溫度220.62℃，液相線溫度在237.51℃(考慮了試驗(yàn)誤差)，鋪展率68.750％，剪切強(qiáng)度75.349mpa。

實(shí)施例4

用于功率器件焊接的無(wú)鉛釬料的成分及重量百分比為：sb5％，cu1％，ni0.1％，ag0.5％，余量為sn。

釬料性能檢測(cè)：固相線溫度222.27℃，液相線溫度在240.55℃(考慮了試驗(yàn)誤差)，鋪展率69.185％，剪切強(qiáng)度77.34mpa。

本實(shí)施方式得到的釬料采用功率補(bǔ)償式差示掃描量熱法，利用美國(guó)perkinelmer～pyrisdiamonddsc功率補(bǔ)償型差示掃描量熱儀來(lái)測(cè)定釬料合金的熔化溫度，釬料質(zhì)量為5～10mg，本測(cè)試過(guò)程采用升溫速率為10℃/min,升溫范圍為180～300℃，試驗(yàn)過(guò)程中采用高純氮?dú)獗Ｗo(hù)樣品。

采用gb/t11364-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試潤(rùn)濕性，標(biāo)準(zhǔn)試樣為40×40×1mm的單面覆銅板試片，釬料試樣的質(zhì)量0.25g。加熱設(shè)備為r340c型八溫區(qū)無(wú)鉛回流焊爐，峰值溫度為280℃，利用它們?cè)赾u基板上的鋪展率來(lái)評(píng)價(jià)其潤(rùn)濕性。

采用日本ptr-1101接合強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)對(duì)用本實(shí)施方式釬料制備的微焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，剪切速度0.5mm/s，剪切距離1mm，定位距離175μm，小球的尺寸為700μm。各實(shí)施例釬料基本性能如圖1所示。