短纤维丝增强高纯铟复合焊料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于各种类型的半导体器件可靠封装的高纯铟复合焊料，以及该焊料的制备方法，属于焊料技术领域。
【背景技术】
[0002]二十世纪70年代，半导体激光器室温连续震荡的成功和低损耗光纤的实现拉开了光电子时代的序幕。半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、易于调制及价格低廉等优点，在工业、医学和军事领域得到了广泛的应用。
[0003]半导体器件的温度耐受性较低，封装时焊料的熔融温度要低于半导体器件的最高耐受温度。因此半导体封装常用铟(In)等低熔点软焊料。高纯铟焊料具有良好的导热导电性能，能与半导体芯片形成良好的欧姆接触，同时具有优越的塑性加工性能，能有效缓解因热膨胀系数差异而形成的材料内部的残余应力。然而，铟焊料带来优越塑性的同时，屈服强度却也较低，封装后半导体器件易于发生弯曲、翘曲等变形，封装强度不高，抗疲劳性能差，同时高纯铟焊料封装半导体激光器存在铟蔓延现象，严重影响了半导体器件的工作性能和使用寿命。
[0004]鉴于以上缺点，具有高强度的Au-Sn硬焊料等到广泛应用研究。然而，Au-Sn硬焊料虽然强度高，因热失配造成的残余应力却显著增大。以半导体激光器为例，芯片内存在较大的残余应力，封装后器件容易出现多双峰现象，严重影响了半导体激光器的产出效率；且在较大残余应力作用下，随着工作时间的延长半导体芯片内的位错和缺陷会在应力和热效应的共同作用下不断增加和迁移，甚至形成微裂纹等缺陷，从而导致半导体器件的寿命大幅降低。
[0005]中国专利文献CN102066045B公开的《可与无铅的锡基焊料兼容使用的金-锡-铟焊料》，是一种以金、锡及铟制成的无铅焊接合金，锡的呈现浓度为17.5%至20.5%，铟呈现浓度为2.0%至6.0%，平衡质量为金。该合金的熔点范围为290°C至340°C，优选的是在300°C至340°C之间。因该焊接合金的熔点足够高，以容许后密封加热；且足够低以容许密封半导体而不造成损害，特别适用于密封半导体装置。
[0006]上述金-锡-铟焊料中使用贵金属金，在提高成本的同时并未提高焊料的强度。
【发明内容】
[0007]针对现有半导体器件封装用铟焊料存在的不足，本发明提供一种短纤维丝增强高纯铟复合焊料，该焊料在不改变原有高纯铟封装工艺的条件下，获得高强度的焊接接头，从而有效提高半导体器件的光电性能和使用寿命。同时提供了该焊料的制备方法。
[0008]本发明的短纤维丝增强高纯铟复合焊料，是在高纯铟(纯度高于99.99% )内分布有短纤维丝。
[0009]所述短纤维丝采用碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或其它不与铟反应的韧性纤维。
[0010]所述短纤维丝在高纯铟中随机分散，不能形成纤维丝团。
[0011]所述短纤维丝与高纯铟的体积比为1:20-1:10。
[0012]所述短纤维丝的长度为15-30 μ m。
[0013]上述短纤维丝增强高纯铟复合焊料的制备方法，包括以下步骤:
[0014](I)将纤维丝(碳纤维、玻璃纤维或陶瓷纤维)剪切成长度为15-30 μ m的短纤维丝；
[0015](2)将高纯铟粉末(200-400目)和短纤维丝按体积比1:20-1:10的比例混合，放入熔炼干锅中，并混合均匀；
[0016](3)将干锅放入精炼炉中，先抽高真空，而后充入氩气，避免高纯铟在真空下挥发；
[0017](4)加热使高纯铟熔化，并搅拌使短纤维丝分布在熔融铟中，冷却后得到内部分布有短纤维丝的复合铟焊料。
[0018]将得到的复合铟焊料冲剪成任意形状的焊料片，既可应用。
[0019]本发明中选用的纤维丝与高纯铟，半导体上的镀金层均无反应，属于理想的物理掺杂，不影响封装过程中的冶金反应。少量纤维的加入对高纯铟的塑性并没有太大影响，而纤维的加入能有效阻碍材料热膨胀，并且植入的纤维如同混凝土中的钢筋一样，对焊料起到了显著的强化作用。因此，纤维增强的高纯铟钎料几乎保留了高纯铟焊料熔点低、塑性好等的所有优点，同时又降低了热膨胀系数，提高了焊料强度，使焊料的综合性能有了极大的提闻。
[0020]本发明具有以下特点:
[0021]1.纤维的加入对高纯铟起到了良好的强化作用，形成铟与纤维的复合界面层，使半导体器件封装强度有效提升，提高了封装的抗变形能力及疲劳性能。
[0022]2.由于纤维对高纯铟焊料流铺有一定的阻碍作用，适当阻止了高纯铟的过度流淌，从而使管芯探出热沉的距离缩小，提高了激光器的散热效率。
[0023]3.本发明完全不需改变高纯铟工艺下的封装条件，保留了低封装温度、良好的塑性、良好的欧姆接触和导热性等有利条件。
【附图说明】
[0024]图1是本发明制备的短纤维丝增强高纯铟复合焊料的剖视图。
[0025]其中:1、高纯铟，2、短纤维丝。
【具体实施方式】
[0026]本发明的短纤维丝增强高纯铟复合焊料呈片状，其截面如图1所示，是在高纯铟I中随机分布有短纤维丝2，且短纤维丝2不能交错缠结为纤维丝团。所述的短纤维为碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等不与铟反应的韧性纤维。
[0027]上述短纤维丝增强高纯铟复合焊料的制备过程如下:
[0028]1.将碳纤维、玻璃纤维或陶瓷纤维剪切成单束或多束状态的短纤维丝2，单根短纤维长度小于15-30 μ m ；
[0029]2.将高纯铟粉末(200-400目)和短纤维丝2按体积比1:20-1:10的比例混合，放入熔炼用干锅中，并混合均匀；
[0030]3.将干锅放入精炼炉中，先抽高真空，而后充入氩气，避免高纯铟在真空下挥发；
[0031]4.加热使高纯铟熔化，并借助磁力搅拌，使熔融铟带动短纤维流动，从而使短纤维在熔融铟中尽可能随机均匀的分布，冷却后得到内部分布有短纤维的复合铟焊料；
[0032]5.利用焊料轧制设备，将得到的复合铟焊料轧制成焊料带；
[0033]6.将得到的焊料带按所需形状冲剪成任意形状的焊料片。
[0034]应用时，将焊料置于热沉与激光器芯片之间，在纯铟焊接工艺下焊接。
[0035]为防止纤维影响激光器出光质量，焊料片的边缘要与出光方向的热沉边缘平齐或内缩 Omm-0.05_。
【主权项】
1.一种短纤维丝增强高纯铟复合焊料，其特征是，在高纯铟内分布有短纤维丝。
2.根据权利要求1所述的短纤维丝增强高纯铟复合焊料，其特征是，所述短纤维丝采用碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或其它不与铟反应的韧性纤维。
3.根据权利要求1所述的短纤维丝增强高纯铟复合焊料，其特征是，所述短纤维丝随机分散在高纯铟中。
4.根据权利要求1所述的短纤维丝增强高纯铟复合焊料，其特征是，所述短纤维丝与高纯铟的体积比为1:20-1:10。
5.根据权利要求1所述的短纤维丝增强高纯铟复合焊料，其特征是，所述所述短纤维丝的长度15-30 μ m。
6.一种权利要求1所述短纤维丝增强高纯铟复合焊料的制备方法，其特征是，包括以下步骤: (1)将纤维丝剪切成长度为15-30μ m的短纤维丝； (2)将高纯铟粉末和短纤维丝按体积比1:20-1:10的比例混合，放入熔炼干锅中，并混合均匀； (3)将干锅放入精炼炉中，先抽高真空，而后充入氩气，避免高纯铟在真空下挥发； (4)加热使高纯铟熔化，并搅拌使短纤维丝分布在熔融铟中，冷却后得到内部分布有短纤维丝的复合铟焊料。
【专利摘要】一种短纤维丝增强高纯铟复合焊料及其制备方法，该复合焊料是在高纯铟内分布有短纤维丝，制备方法包括以下步骤：(1)将纤维丝剪切成长度为15-30μm的短纤维丝；(2)将高纯铟粉末和短纤维丝混合，放入干锅中；(3)将干锅先抽高真空，而后充入氩气；(4)加热使高纯铟熔化，并搅拌使短纤维丝分布在熔融铟中，冷却后得到内部分布有短纤维丝的复合铟焊料。本发明的复合焊料可有效改善高纯铟封装的强度低、疲劳性能差、器件寿命短的问题，得到具有良好光电参数的高寿命半导体器件同时可有效提高产品合格率。
【IPC分类】B23K35-40, B23K35-02
【公开号】CN104708224
【申请号】CN201510046157
【发明人】邵长斌, 汤庆敏, 刘存志, 王莉敏, 徐现刚
【申请人】山东浪潮华光光电子股份有限公司
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年1月29日