專利名稱：：微電子封裝用鋁碳化硅復(fù)合材料與可伐合金的釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于金屬外殼封裝領(lǐng)域，特別涉及鋁碳化硅復(fù)合材料與可伐合金的釬焊方法。
背景技術(shù)：
：金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上，引線穿過金屬殼體或底座大多采用玻璃-金屬封接技術(shù)的一種電子封裝形式。它廣泛用于混合電路的封裝，主要是軍用和定制的專用氣密封裝，在許多領(lǐng)域,尤其是在軍事及航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的封裝外殼材料可伐合金(kovar)由于其熱導(dǎo)率低，電阻率高，密度也較大，使其廣泛應(yīng)用受到了很大限制。高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料不僅比強(qiáng)度高、比剛度高，而且導(dǎo)熱性能好、CTE可調(diào)、密度較低，這些性能使它成為能替代可伐合金且滿足氣密封裝需要的理想材料。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料的焊接研究主要集中在SiCp/Al復(fù)合材料用作結(jié)構(gòu)材料時(shí)的中溫焊接，焊接方法主要沿用鋁及鋁合金的焊接方法。幾乎所有鋁及鋁合金的焊接方法都先后被用于SiCp/Al復(fù)合材料的焊接，如氬弧焊、電子束焊、激光焊、擴(kuò)散焊和釬焊等。但這些焊接結(jié)構(gòu)材料的焊料和釬焊方法幾乎均不能用于封裝工藝中，因?yàn)樵谖㈦娮臃庋b中，一般只能采用釬焊工藝，且對(duì)工藝參數(shù)和接頭性能均提出了更高的要求。而對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)的鋁基材料來說，由于增強(qiáng)相的存在，嚴(yán)重阻礙了釬料在母材上的潤(rùn)濕和鋪展，同時(shí)給釬焊過程中的溫度控制帶來困難，另外鋁基復(fù)合材料表面的氧化膜也同樣嚴(yán)重影響釬料在母材表面的潤(rùn)濕和鋪展，成為鋁基復(fù)合材料的一大難點(diǎn)。當(dāng)SiCp/Al復(fù)合材料用作封裝外殼時(shí)，無法直接與玻璃絕緣子進(jìn)行熔封，只能通過可伐-玻璃絕緣子組件進(jìn)行氣密連接。所以其工藝過程一般如下(1)SiCp/Al復(fù)合材料與可伐-玻璃絕緣子組件進(jìn)行氣密連接，即SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金的釬焊；(2)通過環(huán)氧導(dǎo)電膠或者焊料將芯片連接到封裝外殼的底座上；(3)通過平行縫焊或者熔焊將蓋板與外殼進(jìn)行熔封。由于SiCp/Al復(fù)合材料具有良好的熱導(dǎo)率，所以其常用于制備大功率外殼，其發(fā)熱量大，而環(huán)氧導(dǎo)電膠熱導(dǎo)率很低，為0.5~2.5W/mK，即使SiCp/Al的熱導(dǎo)率達(dá)到200W/mK，其散熱效果不會(huì)太好。所以只能采用焊料如Au-Si焊料連接芯片，其焊接溫度約為45(TC。所以，在之前的工藝中，只能選擇一種熔點(diǎn)溫度高于45(TC的中溫焊料連接SiCp/Al復(fù)合材料與可伐-玻璃絕緣子組件。這種焊料需要具備以下一些性能1)釬焊溫度在50(TC左右，且具有很窄的熔點(diǎn)范圍以保證焊料具有很好的流動(dòng)性；2)釬料必須與A1合金具有良好冶3金相容性；3)與基體材料具有電化學(xué)相容性。SiCp/Al復(fù)合材料外殼一般采用粉末冶金的方法一次凈終成型，其表面往往覆有一層完整的A1合金層，其厚度一般在0.13mm0.25mm，在這種情況下，可以像對(duì)待A1合金那樣釬焊。但是在某些情況下，必須對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料外殼進(jìn)行機(jī)械加工，這樣會(huì)使SiC顆粒暴露于表面，這就需要對(duì)其表面進(jìn)行鍍覆，然后進(jìn)行釬焊。釬焊過程中，選用合適的釬劑可破碎或松脫A1合金表面的氧化膜，同時(shí)降低熔化釬料與母材之間的界面張力，使熔化釬料的得以在母材表面潤(rùn)濕。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)金屬外殼廠所一直沒有能把SiCp/Al復(fù)合材料真正用于封裝金屬外殼上，主要是因?yàn)槿狈B接SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金的工藝。為了給后續(xù)工藝提供足夠的溫度選擇和工藝選擇空間，同時(shí)保證封裝中的芯片具有良好的散熱性能，需要在選定適合的焊料的基礎(chǔ)上，解決SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金的釬焊連接問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種連接SiCp/Al復(fù)合材料與可伐-玻璃絕緣子組件的工藝和技術(shù)，并提供了具體的工藝參數(shù)，采用Al-Ag-Cu共晶焊料連接SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金，以提高封接工藝的開始溫度，為后續(xù)工藝過程提供足夠的溫度選擇和工藝選擇空間，同時(shí)可以保證封裝中的芯片具有良好的散熱性能。本發(fā)明對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料具有覆鋁層的表面和含有SiC顆粒的表面采用不同的兩種釬焊方法，具體工藝為(1)對(duì)于表面具有覆鋁層的SiCp/Al復(fù)合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，對(duì)其直接在保護(hù)氣氛中進(jìn)行釬焊，焊溫度范圍為54059(TC，釬焊時(shí)間為26分鐘。(2)對(duì)于表面含有SiC顆粒的SiCp/Al復(fù)合材料，首先對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金表面直接化學(xué)鍍Ni(P)合金，其中Ni(P)鍍層的P質(zhì)量百分含量為3%~13%，余量為Ni，Ni(P)鍍層厚度為1.07.0prn;采用Al-Ag-Cu共晶焊料對(duì)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金在保護(hù)氣氛中進(jìn)行釬焊，焊溫度范圍為54059(TC，釬焊時(shí)間為26分鐘。所述釬焊所用釬劑為A1F3-KF系共晶釬劑。所述保護(hù)氣氛為高純N2氣。兩種焊接SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金的方法，適用于微電子封裝中混合集成電路、毫米波/微米波集成電路、多芯片組件等微電子器件的封裝外殼。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于，選用的A1-Ag-Cu共晶焊料有一三元共晶點(diǎn)，組成為w(A1)40.0，w(Cu)19.3，w(Ag)40.7,共晶溫度為50(TC。此焊料色澤與母材比較一致，釬料流動(dòng)性極佳，很好的滿足與Al合金的良好冶金相容性和與基體材料的良好電化學(xué)相容性。本方法釬焊過程中，采用的A1F3-KF系共晶釬劑可破碎或松脫Al合金表面的氧化膜，同時(shí)降低熔化釬料與母材之間的界面張力，使熔化釬料的得以在母材表面潤(rùn)濕，對(duì)基體的腐蝕性小，同時(shí)焊后的釬劑殘?jiān)菀妆蝗コ?。采用本方法得到的焊接接頭能滿足微電子封裝的各種性能要求，焊料與表面為鋁合金的復(fù)合材料或鍍Ni后的基體材料潤(rùn)濕性能良好。封接后的金屬外殼具有良好的氣密性，同時(shí)保證了封裝中的芯片具有良好的散熱性能。兩種封接后的金屬外殼均具有如下性能-(1)外殼氣密性SlxlO'5Pa'cm3/S;(2)鹽霧超過48h;(3)溫度循環(huán)-65°C+175。C,100次;(4)熱沖擊-65°C~+150°C,15次；(5)剪切強(qiáng)度65MPa。圖1表面具有Al合金覆層的SiCp/Al復(fù)合材料的Al-Ag-Cu釬焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)；圖2表面具有SiC顆粒的SiCp/Al復(fù)合材料釬焊接頭示意圖；圖3SiCp/Al復(fù)合材料化學(xué)鍍Ni(P)鍍層后的表面形貌；圖4鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金的Al-Ag-Cu釬焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1對(duì)于表面具有覆鋁層的SiCp/Al復(fù)合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，A1F3-KF系共晶釬劑，釬焊溫度為58(TC，高純N2氣保護(hù)下釬焊時(shí)間為6分鐘的釬焊接頭由圖1所示，由SEM照片可知，焊接接頭結(jié)合良好，焊料與基體表面鋁合金呈現(xiàn)自然過度的方式，幾乎沒有明顯焊接邊界。采用以上釬焊工藝的SiCp/Al復(fù)合材料外殼滿足氣密性、鹽霧、溫度循環(huán)和熱沖擊等試驗(yàn)要求。剪切強(qiáng)度為65MPa以上。實(shí)施例2對(duì)于表面含有SiC顆粒的SiCp/Al復(fù)合材料，由圖2所示，首先對(duì)復(fù)合材料和可伐合金表面直接化學(xué)鍍Ni(P)合金，其中Ni(P)鍍層的P質(zhì)量百分含量為4M,余量為Ni，Ni(P)鍍層厚度為2.0pm。在SiCp/Al復(fù)合材料表面化學(xué)鍍Ni(P)的具體工藝流程可以如下表所示機(jī)械拋光—化學(xué)除油—去離子水洗—酸浸蝕—去離子水洗—敏化—去離子水洗—活化一去離子水洗—化學(xué)鍍Ni(P)。其中各步的溶液配方及工藝條件如表1至表5所示。表l化學(xué)除油配方(室溫，30s)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2酸浸蝕配方(室溫，40s)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3敏化液配方(室溫，120s)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表4活化液配方(室溫，120s)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表5化學(xué)鍍Ni(4wt.%P)鍍液配方及工藝<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>利用Al-Ag-Cu焊料和A1F3-KF系共晶釬劑釬焊具有Ni(P)鍍層的SiCp/Al復(fù)合材料與可伐合金，高純N2氣保護(hù)，焊接溫度為580T,焊接時(shí)間為6分鐘。由圖3可知化學(xué)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料表面質(zhì)量良好。焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示，可以看出，材料連接良好。采用以上焊接工藝的SiCp/Al復(fù)合材料外殼滿足氣密性、鹽霧、溫度循環(huán)和熱沖擊等試驗(yàn)要求。剪切強(qiáng)度為65MPa以上。實(shí)施例3對(duì)于表面含有SiC顆粒的SiCp/Al復(fù)合材料，首先對(duì)復(fù)合材料和可伐合金表面直接化學(xué)鍍Ni(P)合金，其中Ni(P)鍍層的P質(zhì)量百分含量為12%，余量為Ni，Ni(P)鍍層厚度為6.0pm;采用Al-Ag-Cu共晶焊料和A1F3-KF系共晶釬劑在59(TC高純N2氣保護(hù)下，將鍍鎳后的復(fù)合材料與可伐合金釬焊在一起，釬焊時(shí)間為3分鐘?；瘜W(xué)鍍Ni(P)具體工藝如下機(jī)械拋光—化學(xué)除油—去離子水洗—酸浸蝕—去離子水洗—敏化—去離子水洗—活化—去離子水洗—化學(xué)鍍Ni(P)。其中活化之前的所有工藝與實(shí)施例2相同，化學(xué)鍍Ni(P)的鍍液配方和工藝參數(shù)如表6所示。表6化學(xué)鍍Ni(12wt.%P)鍍液配方及工藝<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>采用以上焊接工藝的SiCp/Al復(fù)合材料外殼滿足氣密性、鹽霧、溫度循環(huán)和熱沖擊等試驗(yàn)要求。剪切強(qiáng)度為65MPa以上。權(quán)利要求1、一種微電子封裝用鋁碳化硅復(fù)合材料與可伐合金的釬焊方法，其特征在于，對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料具有覆鋁層的表面和含有SiC顆粒的表面采用不同的兩種釬焊方法，具體工藝為(1)對(duì)于表面具有覆鋁層的SiCp/Al復(fù)合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，對(duì)其直接在保護(hù)氣氛中進(jìn)行釬焊，焊溫度范圍為540～590℃，釬焊時(shí)間為2～6分鐘；(2)對(duì)于表面含有SiC顆粒的SiCp/Al復(fù)合材料，首先對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金表面直接化學(xué)鍍Ni(P)合金，其中Ni(P)鍍層的P質(zhì)量百分含量為3％～13％，余量為Ni，Ni(P)鍍層厚度為1.0～7.0μm；采用Al-Ag-Cu共晶焊料對(duì)鍍Ni后的SiCp/Al復(fù)合材料和可伐合金在保護(hù)氣氛中進(jìn)行釬焊，焊溫度范圍為540～590℃，釬焊時(shí)間為2～6分鐘。2、如權(quán)利要求l所述的釬焊方法，其特征在于，所述釬焊所用釬劑為A1F3-KF系共晶釬劑。3、如權(quán)利要求1所述的釬焊方法，其特征在于，所述保護(hù)氣氛為高純N2氣。4、權(quán)利要求1所述釬焊方法的用途，適用于微電子封裝中混合集成電路、毫米波/微米波集成電路、多芯片組件等微電子器件的封裝外殼。全文摘要一種微電子封裝用鋁碳化硅復(fù)合材料與可伐合金的釬焊方法，屬于金屬外殼封裝領(lǐng)域。本發(fā)明對(duì)SiC<sub>p</sub>/Al復(fù)合材料具有覆鋁層的表面和含有SiC顆粒的表面采用不同的兩種釬焊方法，對(duì)于表面具有覆鋁層的SiC<sub>p</sub>/Al復(fù)合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，對(duì)其直接進(jìn)行釬焊；對(duì)于表面含有SiC顆粒的SiC<sub>p</sub>/Al復(fù)合材料，首先對(duì)SiC<sub>p</sub>/Al復(fù)合材料和可伐合金表面直接化學(xué)鍍Ni(P)合金，然后采用Al-Ag-Cu共晶焊料對(duì)其進(jìn)行釬焊。采用本方法得到的焊接接頭能滿足微電子封裝的各種性能要求，焊料與表面為鋁合金的復(fù)合材料或鍍Ni后的基體材料潤(rùn)濕性能良好。適用于微電子封裝中混合集成電路、毫米波/微米波集成電路、多芯片組件等微電子器件的封裝外殼。文檔編號(hào)B23K35/24GK101502904SQ20091007915公開日2009年8月12日申請(qǐng)日期2009年3月3日優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日發(fā)明者任淑彬,何新波,茂吳,曲選輝申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)