本發(fā)明屬于電子封裝領(lǐng)域，涉及一種銅/錫納米復(fù)合粉末活性焊料及其制備方法。

背景技術(shù)：

新一代半導(dǎo)體高溫功率芯片可以大幅提高電子器件的服役溫度，耐高溫封裝技術(shù)需求已變得更加緊迫。高鉛釬料釬焊是傳統(tǒng)的高溫封裝技術(shù)，然而由于鉛對環(huán)境造成的巨大危害已使得電子封裝領(lǐng)域全面禁用含鉛釬料，無鉛焊料和及其連接技術(shù)成為新型電子封裝的關(guān)鍵。

金基釬料是一類較早被研究并應(yīng)用的高溫?zé)o鉛釬料，已經(jīng)發(fā)展的體系有au-sn、au-ge、au-si等。金基釬料與傳統(tǒng)高鉛釬料相比耐腐蝕性強，導(dǎo)熱導(dǎo)電等物理性能優(yōu)良，缺點是較脆且硬度高，不易于加工制備成形；另外，金基釬料價格昂貴，也極大地制約了其在封裝領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用。ag-bi基釬料和sn-sb基釬料具有與高鉛釬料相近的固相線溫度，也是綜合性能較好的兩類高溫?zé)o鉛釬料，且價格相對較低、制備工藝簡單，可直接做成釬料膏，在高溫電子器件連接中已經(jīng)有了一定的應(yīng)用。然而，高溫釬料要求較高的連接溫度，這種高溫加熱過程會加劇電子器件中各種材料熱膨脹系數(shù)的不匹配而導(dǎo)致應(yīng)力、變形、甚至電子器件的破壞，從而降低電子器件的可靠性和使用壽命。

近年來，國內(nèi)外在高溫封裝技術(shù)方面的開發(fā)思路是“低溫連接/高溫服役”，以降低封裝溫度，減小加熱過程對電子器件的熱損傷，而同時又能獲得盡可能高的耐熱溫度。按照這一思路已開發(fā)的電子封裝技術(shù)主要有納米銀顆粒燒結(jié)連接、固液互擴散連接或瞬時液相燒結(jié)連接等。納米銀燒結(jié)連接是一種利用納米顆粒的表面效應(yīng)（降低到納米級尺寸粉末比表面積和表面能增加）在較低的溫度(200~350℃)和一定的壓力（一般為1~30mpa）下實現(xiàn)的耐高溫封裝連接技術(shù)。納米銀燒結(jié)接頭的強度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性優(yōu)良，耐熱性好，總體來看，納米銀低溫?zé)Y(jié)連接是一種能夠在較低溫度下實現(xiàn)的耐高溫封裝連接技術(shù)。然而由于固態(tài)燒結(jié)連接自身存在的不足，輔助壓力較大，連接時間較長，應(yīng)用受到限制。

固液互擴散連接或瞬時液相燒結(jié)連接是利用兩種熔點差異較大的金屬作為連接材料，連接過程中低熔點金屬熔化形成液相，利用低熔點金屬與高熔點金屬之間固-液互擴散/反應(yīng)來實現(xiàn)等溫凝固、連接并獲得耐高溫接頭的連接方法。目前已研究固液互擴散連接二元金屬體系主要有cu-in、au-in、au-sn、ag-in、ag-sn、sn-cu和sn-ni等，這些二元金屬體系的共同特點是能夠形成高熔點的金屬間化合物，這種高熔點金屬間化合物是固液互擴散連接接頭耐熱溫度能夠顯著高于連接溫度，從而實現(xiàn)“低溫連接/高溫服役”的關(guān)鍵。固液互擴散連接得優(yōu)點是通常不需要壓力，加熱溫度也相對較低；其缺點是反應(yīng)動力學(xué)較慢，要想得到不含低熔點相的連接接頭，連接過程通常需要數(shù)十分鐘。

從以上分析得知，現(xiàn)有耐高溫電子封裝技術(shù)存在連接溫度高、連接壓力大或連接時間長等缺陷，不能滿足未來新一代芯片及其電子器件耐高溫連接的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出了一種銅/錫納米復(fù)合粉末活性焊料及其制備方法，通過使錫、銅納米尺度復(fù)合，增加兩者的接觸面積和反應(yīng)活性、改善高熔點金屬化合物的反應(yīng)動力學(xué)，從而減小連接壓力、降低連接溫度和縮短連接時間。

一種銅/錫納米復(fù)合粉末活性焊料，所述的焊料粉末顆粒由銅、錫兩種金屬元素組成，其組成方式是兩種金屬通過機械活化復(fù)合而成，銅、錫的摩爾比為1:1~3:1。

所述的焊料粉末顆粒尺寸為10~200微米，由銅、錫以層狀形式交替排列組成，每層的厚度為10~9000納米。

所述的粉末顆粒內(nèi)部銅、錫片層間可能形成少量的銅錫金屬間化合物，銅錫金屬間化合物的體積百分含量為0.1~30%。

所述的機械活化復(fù)合是將純金屬粉末原材料在真空或保護氣下進行高能球磨，獲得復(fù)合粉末活性焊料；其中球磨時間范圍為0.5~8小時。

一種銅/錫納米復(fù)合粉末活性焊料制備方法，其步驟如下：

步驟一、以純銅、純錫粉末為原材料，純銅與純錫的摩爾比為1:1~3:1。

步驟二、將原材料在真空或保護氣下進行高能球磨，獲得復(fù)合粉末活性焊料；其中球磨時間范圍為0.5~8小時。

步驟三、將獲得的復(fù)合粉末活性焊料冷壓成片狀，壓力100~300mpa，焊料片厚度0.2~0.6mm。

銅/錫納米復(fù)合粉末活性焊料連接溫度為200~350℃、連接壓力為0.1~1mpa，連接時間為2~20min。

試驗結(jié)果表明，本發(fā)明焊料得到的連接接頭在350℃下的剪切強度不低于10mpa。

本發(fā)明的有益效果：

1）銅、錫來源廣、價格低。

2）高能球磨制備工藝簡單、復(fù)合粉末質(zhì)量容易控制。

3）連接溫度低、壓力小、時間短，對電子器件的熱-機損傷小。

附圖說明

圖1為銅/錫納米復(fù)合粉末顆粒結(jié)構(gòu)示意圖；1錫，2銅，3銅錫金屬間化合物。

具體實施方式

本發(fā)明為一種銅/錫納米復(fù)合粉末活性焊料及其制備方法，下面結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例一：

1）原料粉末配制。將錫粉（純度99.9%，粒度150目）和銅粉（純度99.9%，粒度200目）銅、錫粉末按摩爾比1:1稱取，并混合在一起。

2）高能球磨。將步驟1）中制備的混合金屬粉末，按球料比15:1（質(zhì)量比）與不銹鋼球一起放入不銹鋼球磨罐中，加蓋密封，用機械泵抽真空至1×10^-1pa后關(guān)閉真空閥，向罐內(nèi)充氬氣至1大氣壓后關(guān)閉真空閥，重復(fù)抽真空-充氬氣過程3次，然后啟動球磨機，球磨轉(zhuǎn)速300rpm，球磨時間4小時。

3）連接，將步驟2）中獲得的粉末冷壓成片狀焊料，壓力300mpa，焊料片厚度0.6mm。將焊料片置于待連接的兩個銅板之間，并用夾具固定。將裝配好的了連接試樣連同夾具放入加熱爐中進行連接。連接的工藝參數(shù)：連接壓力為1mpa、連接溫度為350℃、連接時間為20分鐘。

4）性能表征。步驟2）制備的銅/錫納米復(fù)合粉末采用金相顯微鏡觀察其顆粒剖面，可以發(fā)現(xiàn)焊料粉末顆粒的尺寸為100~200微米，銅、錫在顆粒內(nèi)部以層狀形式交替排列，每層的厚度為30~2000納米，片層間形成體積百分含量約為10%的銅錫金屬間化合物，如附圖1所示。步驟3）制備的連接接頭采用金相顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)焊接層全部為金屬間化合物組成，未發(fā)現(xiàn)低熔點的錫。在350℃進行剪切試驗，得到的剪切強度為15mpa，

實施例二：

1）原料粉末配制。將錫粉（純度99.9%，粒度150目）和銅粉（純度99.9%，粒度200目）銅、錫粉末按摩爾比2:1稱取，并混合在一起。

2）高能球磨。將步驟1）中制備的混合金屬粉末，按球料比15:1（質(zhì)量比）與不銹鋼球一起放入不銹鋼球磨罐中，加蓋密封，用機械泵抽真空至1×10^-1pa后關(guān)閉真空閥，向罐內(nèi)充氬氣至1大氣壓后關(guān)閉真空閥，重復(fù)抽真空-充氬氣過程3次，然后啟動球磨機，球磨轉(zhuǎn)速200rpm，球磨時間0.5小時。

3）連接，將步驟2）中獲得的粉末冷壓成片狀焊料，壓力100mpa，焊料片厚度0.2mm。將焊料片置于待連接的兩個銅板之間，并用夾具固定。將裝配好的了連接試樣連同夾具放入加熱爐中進行連接。連接的工藝參數(shù)：連接壓力為0.1mpa、連接溫度為250℃、連接時間為10分鐘。

4）性能表征。步驟2）制備的銅/錫納米復(fù)合粉末采用金相顯微鏡觀察其顆粒剖面，可以發(fā)現(xiàn)焊料粉末顆粒的尺寸為10~200微米，銅、錫在顆粒內(nèi)部以層狀形式交替排列，每層的厚度為1000~9000納米，片層間未形成銅錫金屬間化合物。步驟3）制備的連接接頭采用金相顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)焊接層為金屬間化合物基體上分布一定數(shù)量片狀銅，未發(fā)現(xiàn)低熔點的錫。在350℃進行剪切試驗，得到的剪切強度均高于11mpa，

實施例三：

1）原料粉末配制。將錫粉（純度99.9%，粒度150目）和銅粉（純度99.9%，粒度200目）銅、錫粉末按摩爾比3:1稱取，并混合在一起。

2）高能球磨。將步驟1）中制備的混合金屬粉末，按球料比15:1（質(zhì)量比）與不銹鋼球一起放入不銹鋼球磨罐中，加蓋密封，用機械泵抽真空至1×10^-1pa后關(guān)閉真空閥，向罐內(nèi)充氬氣至1大氣壓后關(guān)閉真空閥，重復(fù)抽真空-充氬氣過程3次，然后啟動球磨機，球磨轉(zhuǎn)速400rpm，球磨時間8小時。

3）連接，將步驟2）中獲得的粉末冷壓成片狀焊料，壓力200mpa，焊料片厚度0.4mm。將焊料片置于待連接的兩個銅板之間，并用夾具固定。將裝配好的了連接試樣連同夾具放入加熱爐中進行連接。連接的工藝參數(shù)：連接壓力為0.5mpa、連接溫度為300℃、連接時間為2分鐘。

4）性能表征。步驟2）制備的銅/錫納米復(fù)合粉末采用金相顯微鏡觀察其顆粒剖面，可以發(fā)現(xiàn)焊料粉末顆粒的尺寸為60~150微米，銅、錫在顆粒內(nèi)部以層狀形式交替排列，每層的厚度為10~200納米銅、錫在顆粒內(nèi)部形成片層交替排列形貌，層間形成體積百分含量約為30%的銅錫金屬間化合物。步驟3）制備的連接接頭采用金相顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)焊接層為金屬間化合物基體上分布一定數(shù)量片狀銅，未發(fā)現(xiàn)低熔點的錫。在350℃進行剪切試驗，得到的剪切強度均高于17mpa，

以上實施例表明，本發(fā)明可以解決現(xiàn)有技術(shù)中連接溫度高、連接壓力大、連接時間長的缺陷，適用于新一代芯片及其耐高溫電子器件的電子封裝。

以上所述的僅是本發(fā)明的一個具體實施例，原料粉末成分配比、球磨工藝參數(shù)等沒有詳盡列出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出工藝上的增減與改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。