CN106312220A - 一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，包括如下步骤：第一步，对陶瓷基片和无氧铜进行表面处理，然后用丙酮清洗；第二步，将Ag粉、Cu粉、Sn粉、Ti粉或Ag粉、Cu粉、In粉、Ti粉混合形成金属粉末，向所述金属粉末中加入有机黏结剂放入球磨罐中进行机械球磨制得活性钎料膏；第三步，按照无氧铜/活性钎料/陶瓷基板的顺序自上而下装配试样，在真空钎焊炉中实现连接。本发明采用向活性钎料中添加低熔点元素的方式，降低了陶瓷基板与无氧铜的连接温度，减小了基板中的残余应力，提高了使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于电子封装领域，具体涉及一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法。
背景技术
在电子封装领域，一般采用直接覆铜技术(DBC)将陶瓷基板与无氧铜连接。DBC技术是将铜箔片置于Al2O3陶瓷基片上，在含氧的气氛中加热到1065~1085ºC，使铜箔片直接覆接在Al2O3陶瓷基片上。其原理是，结合Cu-O二元相图可知，在一定的氧含量条件下，当加热到1063ºC时，Cu和O形成共晶液相CuO，该共晶液相与Al2O3陶瓷接触并发生反应CuO+Al2O3=CuAl2O3，对陶瓷基板形成良好润湿，并实现连接。而对于新型AlN陶瓷基板，一般首先对AlN表面进行氧化处理，使其表面得到一层Al2O3膜，然后采用DBC技术实现其与铜的覆接。DBC技术，对陶瓷基板和铜的表面平整度要求较高，并且其工艺窗口较窄，最终导致成品率较低。针对以上不足之处，专利CN104409425A中采用活性钎料AgCuTi或AgCuZr实现了陶瓷基板与铜的覆接，采用活性钎焊的方式实现陶瓷基板与铜的覆接可以降低对试样的表面平整度要求，但所采用的高温钎料常常会导致陶瓷基板中存在较大残余应力导致其发生断裂，影响使用寿命。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，该方法可以降低对基板平整度的要求，并降低陶瓷中的残余应力，提高使用寿命。
本发明的原理是通过向铜基、银基活性钎料中添加低温元素Sn或In，降低合金钎料的熔点，从而降低陶瓷基板与无氧铜的连接温度，进而缓解陶瓷基板中的残余应力，提高覆铜基板的使用寿命。
本发明所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，步骤如下：
1）对陶瓷基片和无氧铜进行表面处理，然后用丙酮清洗；
2）将Ag粉、Cu粉、Sn粉、Ti粉或Ag粉、Cu粉、In粉、Ti粉混合形成金属粉末，向所述金属粉末中加入有机黏结剂放入球磨罐中进行机械球磨制得活性钎料膏；
3）按照无氧铜/活性钎料膏/陶瓷基板的顺序自上而下装配试样，在真空钎焊炉中实现连接。
进一步，本发明步骤2）所述的金属粉末中Ag的质量分数为5%~30%，Cu的质量分数为10%~40%，Sn的质量分数为50%~80%，Ti的质量分数为3%~8%，或Ag的质量分数为5%~30%，Cu的质量分数为10%~40%，In的质量分数为50%~80%，Ti的质量分数为3%~8%，制备活性钎料时有机黏结剂与金属粉末的质量比为1:6~1:4，机械球磨时间为4~8小时。
进一步，步骤1）中，依次用1000#和1500#金刚石砂盘对陶瓷表面进行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂纸对无氧铜表面进行打磨，然后将打磨后的试样放入丙酮中超声清洗10~20min。
进一步，本技术方案步骤3）中，活性钎料膏在陶瓷基板上的涂覆厚度为50~200μm。
进一步，本技术方案步骤3）中，试样装配好后，在无氧铜上方施加10MPa~25MPa贴合压力。
进一步，本技术方案步骤3）中，真空钎焊的连接温度为720ºC~800ºC，优选，740ºC~780ºC，最优选750℃，连接时间为5min~20min，真空度为5×10-3Pa~5×10-4Pa。较低的连接温度不利于钎料中活性元素与陶瓷的充分反应，导致接头结合力差；而较高的连接温度会导致无氧铜向钎料过渡溶解，不利于缓解接头应力。
进一步，本申请技术方案中所使用的陶瓷基板的材质为Al2O3或AlN。
本发明的有益效果在于：采用如上所述的功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法向活性钎料中添加低熔点元素，降低了陶瓷基板与无氧铜的连接温度，减小了基板中的残余应力，提高了使用寿命。
附图说明
图1为实施例1中无氧铜/活性钎料膏/陶瓷基板的连接界面微观组织电镜照片。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明做进一步的具体描述。
实施例1
（1）依次用1000#和1500#金刚石砂盘对AlN陶瓷表面进行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂纸对无氧铜表面进行打磨，然后将打磨后的试样放入丙酮中超声清洗15min；
（2）将Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有机黏结剂放入球磨罐中进行机械球磨制的活性钎料膏。其中Ag的质量分数为10%，Cu的质量分数为20%，Sn的质量分数为65%，Ti的质量分数为5%，有机黏结剂与金属粉末的质量比为1:6，机械球磨时间为6小时；
（3）在AlN陶瓷表面涂覆50μm的活性钎料膏，然后将0.3mm厚的无氧铜与AlN贴合，中间为焊膏，在无氧铜上方施加15MPa压力。将装配好的试样放入钎焊炉中，抽真空至5×10-3Pa，然后以15ºC/min的速率加热至750ºC，保温5min后随炉冷却至室温，实现AlN陶瓷基板与无氧铜的覆接。连接界面的微观组织照片如图1所示，AlN陶瓷基板与无氧铜连接紧密，焊缝中无缺陷存在。接头的抗剪强度为48MPa。
实施例2
（1）依次用1000#和1500#金刚石砂盘对Al2O3陶瓷表面进行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂纸对无氧铜表面进行打磨，然后将打磨后的试样放入丙酮中超声清洗20min；
（2）将Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有机黏结剂放入球磨罐中进行机械球磨制的活性钎料膏。其中Ag的质量分数为5%，Cu的质量分数为30%，Sn的质量分数为61%，Ti的质量分数为4%，有机黏结剂与金属粉末的质量比为1:4，机械球磨时间为8小时；
（3）在Al2O3陶瓷表面涂覆100μm的活性钎料膏，然后将0.5mm厚的无氧铜与Al2O3贴合，中间为焊膏，在无氧铜上方施加15MPa压力。将装配好的试样放入钎焊炉中，抽真空至2×10-3Pa，然后以15ºC/min的速率加热至720ºC，保温10min后随炉冷却至室温，实现Al2O3陶瓷基板与无氧铜的覆接。接头的抗剪强度为44MPa。
实施例3
（1）依次用1000#和1500#金刚石砂盘对AlN陶瓷表面进行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂纸对无氧铜表面进行打磨，然后将打磨后的试样放入丙酮中超声清洗20min；
（2）将Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有机黏结剂放入球磨罐中进行机械球磨制的活性钎料膏。其中Ag的质量分数为5%，Cu的质量分数为30%，Sn的质量分数为61%，Ti的质量分数为4%，有机黏结剂与金属粉末的质量比为1:4，机械球磨时间为8小时；
（3）在AlN陶瓷表面涂覆100μm的活性钎料膏，然后将0.3mm厚的无氧铜与AlN贴合，中间为焊膏，在无氧铜上方施加15MPa压力。将装配好的试样放入钎焊炉中，抽真空至5×10-3Pa，然后以20ºC/min的速率加热至720ºC，保温15min后随炉冷却至室温，实现AlN陶瓷基板与无氧铜的覆接。接头的抗剪强度为44MPa。
实施例4
（1）依次用1000#和1500#金刚石砂盘对AlN陶瓷表面进行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂纸对无氧铜表面进行打磨，然后将打磨后的试样放入丙酮中超声清洗20min；
（2）将Ag粉、Cu粉、Sn粉和Ti粉以及有机黏结剂放入球磨罐中进行机械球磨制的活性钎料膏。其中Ag的质量分数为15%，Cu的质量分数为20%，Sn的质量分数为57%，Ti的质量分数为8%，有机黏结剂与金属粉末的质量比为1:4，机械球磨时间为6小时；
（3）在AlN陶瓷表面涂覆200μm的活性钎料膏，然后将0.2mm厚的无氧铜与AlN贴合，中间为焊膏，在无氧铜上方施加20MPa压力。将装配好的试样放入钎焊炉中，抽真空至2×10-3Pa，然后以20ºC/min的速率加热至780ºC，保温15min后随炉冷却至室温，实现AlN陶瓷基板与无氧铜的覆接。接头的抗剪强度为52MPa。
Claims (9)
1.一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对陶瓷基板和无氧铜进行表面处理，然后用丙酮清洗；
2）将Ag粉、Cu粉、Sn粉、Ti粉或Ag粉、Cu粉、In粉、Ti粉混合形成金属粉末，向所述金属粉末中加入有机黏结剂放入球磨罐中进行机械球磨制得活性钎料膏；
3）按照无氧铜/活性钎料膏/陶瓷基板的顺序自上而下装配试样，在真空钎焊炉中实现连接。
2.根据权利要求1所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，步骤2）所述的金属粉末中Ag的质量分数为5%~30%，Cu的质量分数为10%~40%，Sn的质量分数为50%~80%，Ti的质量分数为3%~8%，或Ag的质量分数为5%~30%，Cu的质量分数为10%~40%，In的质量分数为50%~80%，Ti的质量分数为3%~8%，制备活性钎料时有机黏结剂与金属粉末的质量比为1:6~1:4，机械球磨时间为4~8小时。
3.根据权利要求1或2所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，步骤1）中，依次用1000#和1500#金刚石砂盘对陶瓷表面进行打磨，依次用800#、1000#和2000#砂纸对无氧铜表面进行打磨，然后将打磨后的试样放入丙酮中超声清洗10~20min。
4.根据权利要求1或2所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，步骤3）中，活性钎料膏在陶瓷基板上的涂覆厚度为50~200μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，步骤3）中，试样装配好后，在无氧铜上方施加10MPa~25MPa压力。
6.根据权利要求1或2所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，步骤3）中，真空钎焊的连接温度为720ºC~800ºC，连接时间为5min~20min，真空度为5×10-3Pa~5×10-4Pa。
7.根据权利要求6所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，步骤3）中，真空钎焊的连接温度为740ºC~780ºC。
8.根据权利要求6所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，步骤3）中，真空钎焊的连接温度为750ºC。
9.根据权利要求1或2所述的一种功率模块用陶瓷基板覆铜的低温连接方法，其特征在于，所述陶瓷基板的材质为Al2O3或AlN。
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