一种用于陶瓷与金属焊接的钎料及焊接方法与流程

本发明属于半导体器件制造工艺技术领域，尤其涉及一种用于陶瓷与金属焊接的钎料及焊接方法。

背景技术：

陶瓷与金属的连接在半导体制造领域具有重要应用。将陶瓷与金属进行封装, 是将陶瓷应用到电器件的重要环节。大功率密度电子封装中所产生的热量主要是通过陶瓷覆金属板传导到外壳而散发出去的，最常用的是陶瓷覆铜，目前陶瓷覆铜板主要通过高导电无氧铜在高温下直接键合到陶瓷表面而形成。它既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能，并能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形，是电力电子领域功率模块封装连接芯片与散热衬底的关键材料。但是这种方法成本高，而且操作复杂，不便于控制。

另一种陶瓷与金属的连接技术是活性金属钎焊法，由于其具有适用范围广、连接强度高、生产成本低、高效可靠等优点，而备受人们的青睐。这种方法通常采用含有适量活性元素的特殊钎料，在真空条件下直接连接陶瓷与金属。钎焊过程中，钎料中的活性元素在一定温度下与陶瓷发生冶金反应，在陶瓷/ 钎料界面形成一定厚度的能被液态金属钎料润湿的过渡层, 从而实现陶瓷与金属的化学结合。然而该方法普遍使用大量的银，银在钎料中的占比超过70%，成本高昂。本方法不采用贵金属，成本低廉，且能达到较高的连接强度，为陶瓷覆铜的连接又提供了一种新的方法。

但是，上述方法获得的结合强度仍有待提高，而且前者的成本高，操作复杂，不便于控制。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种用于陶瓷与金属焊接的钎料及焊接方法，该方法突破了制备陶瓷覆铜的传统方法，降低了制备成本。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种用于陶瓷与金属焊接的钎料，其为铋基玻璃料，所述铋基玻璃料包含的组分及其质量百分比为：Bi₂O₃ 60-80%，B₂O₃ 5-20%，ZnO 7-20%，其余为微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO中的一种或几种。本发明的技术方案，采用含有高的氧化铋含量的铋基玻璃料作为焊接原材料，利用高温下铋玻璃晶化与金属发生化学反应，使得焊接凝固后陶瓷与金属之间得到更高的强度。

作为本发明的进一步改进，所述微量添加元素的质量百分比为2~6%；优选的，所述微量添加元素的质量百分比为3~5%。

作为本发明的进一步改进，其包含的组分及其质量百分比为：Bi₂O₃ 65-75%，B₂O₃8-18%，ZnO 10-16%，其余为微量添加元素。所述微量添加元素至少包含SiO₂、TiO₂、MgO。

作为本发明的进一步改进，所述用于陶瓷与金属焊接的钎料的外形为块状、薄膜、微米线、微米带、微米管、微米颗粒、纳米线、纳米带、纳米管或纳米颗粒。

作为本发明的进一步改进，所述陶瓷为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氮化硅陶瓷。

作为本发明的进一步改进，所述金属为铜、铝或银。对于比铋活泼的金属，采用本发明的技术方案，有利于高温下铋玻璃晶化与金属发生化学反应，凝固后陶瓷与金属之间得到更高强度的焊接。

作为本发明的进一步改进，其采用以下步骤制备得到膏状钎料：将所述铋基玻璃料磨制为10~50μm粒径的粉，然后与质量比为1:（2~4）的乙基纤维素和松油醇的混合物配制得制成含铋玻璃膏，所述铋基玻璃料与乙基纤维素和松油醇的混合物的混合质量比为7:3。

本发明还提供了一种用于陶瓷与金属焊接的焊接方法，其采用如上任意一项所述的用于陶瓷与金属焊接的钎料，将所述用于陶瓷与金属焊接的钎料置于陶瓷与金属之间进行回流焊接，所述回流焊接的最高温度为600-1000℃。

作为本发明的进一步改进，所述的用于陶瓷与金属焊接的钎料可为块状、薄膜、微米线、微米带、微米管、微米颗粒、纳米线、纳米带、纳米管或纳米颗粒等形状。

作为本发明的进一步改进，所述陶瓷为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氮化硅陶瓷。

作为本发明的进一步改进，所述金属为铜、铝或银。

作为本发明的进一步改进，所述回流焊接包括助焊剂挥发区、回流区和凝固区间，所述回流区的温度为500-1000℃。

作为本发明的进一步改进，所述回流焊接在空气、真空、氮气、氢气或惰性气体气氛中进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的技术方案，基于金属与铋氧化物的化学交互作用，获得了更高的结合强度，不同于以往陶瓷与金属简单的玻璃粘结和高温烧结的连接方法，该方法简单，成本低，可操作性强，为微型器件制造提供了又一种切实可行的方法。

附图说明

图1是实施例中固定陶瓷片与金属片的夹具装置结构示意图。图中：1-压板；2-承载台；3-固定螺母。

图2是实施例1的夹具装置俯视图。

图3是实施例1中氧化铝陶瓷与铜片连接的扫描电镜图。

图4 是实施例1中连接强度随时间变化曲线。

图5为实施例2中氮化铝陶瓷与铜片连接的扫描电镜图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

以下实施例中所用回流设备包括样品固定夹具和回流炉，所述样品固定夹具优选的结构如图1和图2所示，该装置包括压板1、样品台2和紧固螺栓3；压板1和样品台2通过紧固螺栓3连接。

上述样品固定夹具置于回流炉中，高温回流，制得陶瓷覆金属连接结构。

实施例1

一种用于陶瓷与金属焊接的钎料，其为铋基玻璃料，其包含的组分及其质量百分比为：Bi₂O₃ 70%，B₂O₃ 15%，ZnO 12%，其余为微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO，其质量百分比分别为1%、1%、1%。

所述用于陶瓷与金属焊接的钎料采用以下步骤进行制备膏状钎料：

先将所述铋基玻璃料磨制为20μm粒径的粉，然后与质量比为1:3乙基纤维素和松油醇的混合物配制得有机粘结剂混合物，所述铋基玻璃料与乙基纤维素和松油醇的混合物的混合质量比为7:3，制成含铋玻璃膏。

以制备得到的含铋玻璃膏为焊接原料，纯铜片和氧化铝陶瓷为焊接母材。中间部分为含铋玻璃膏，上部为铜片，下部为氧化铝陶瓷片，铜片和氧化铝陶瓷片尺寸均为5×5×1mm。将该玻璃膏刷至氧化铝陶瓷片上，而后将铜片覆盖于玻璃膏上。

将上述粘结的样品置于夹具的样品台上，紧固螺丝使压片压紧样品。然后，将夹具置于回流炉中分别设定回流温度为700、800、850 和 900℃，回流过程中通氮气，保护铜片不被氧化，随后随炉冷却。

将所得到的陶瓷覆铜结构处理后，对其进行扫描电镜分析，如图3所示，可以看出，钎料和陶瓷发生了冶金反应，形成了一层化合物；铜片和钎料之间没有形成化合物，但是靠近铜侧，钎料中形成了一层铋金属，铋与铜形成了紧密结合。而且铜表面被铋侵蚀形成沟槽状结构，也增加了结合强度。经过拉伸试验测试，如图4所示，该结构在850℃拉伸强度最大，可达12MPa，说明该方法能够有效连接氧化铝陶瓷和铜。与现有的陶瓷覆铜直连法（DBC）相比，该方法连接温度只有850℃ 远小于DBC 的1060℃；活性金属焊接法采用大量的贵金属为焊接原料，与之相比，该方法不采用贵金属，成本非常低；简单的玻璃封接(粘结)抗压不抗拉，与之相比,该方法具有较强的抗拉性能,优胜于玻璃封接(粘结)。

实施例2

（1）选用实施例1中的结构作为原材料基体，氧化铝陶瓷换为氮化铝陶瓷，制作样品。

（2）样品制作方法与实施例1中类似，回流温度为850℃，回流过程中通氮气，随炉冷却。

制得样品经扫面电镜观察，如图5所示，形成致密的组织，经过拉伸试验测试，该结构拉伸强度也可达10MPa，说明该方法能够有效连接氮化铝陶瓷和铜。

实施例3

在实施例1的基础上，所述铋基玻璃料包含的组分及其质量百分比为：Bi₂O₃ 80%，B₂O₃7%，ZnO 9%，其余为微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO，其质量百分比分别为1%、1%、2%。所述用于陶瓷与金属焊接的钎料的制备方法同实施例1。

将上述得到的用于陶瓷与金属焊接的钎料用于铜片与氮化铝陶瓷的连接，经过拉伸试验测试，该结构拉伸强度为8.2MPa。

实施例4

在实施例1的基础上，所述铋基玻璃料包含的组分及其质量百分比为：Bi₂O₃ 60%，B₂O₃18%，ZnO 19%，其余为微量添加元素；所述微量添加元素包含SiO₂、TiO₂、MgO，其质量百分比分别为1%、1%、1%。所述用于陶瓷与金属焊接的钎料的制备方法同实施例1。

将上述得到的用于陶瓷与金属焊接的钎料用于铜片与氮化铝陶瓷的连接，经过拉伸试验测试，该结构拉伸强度可达7.6MPa。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。