微电子封装用铝碳化硅复合材料与可伐合金的钎焊方法.pdf

一种微电子封装用铝碳化硅复合材料与可伐合金的钎焊方法，属于金属外壳封装领域。本发明对SiCp/Al复合材料具有覆铝层的表面和含有SiC颗粒的表面采用不同的两种钎焊方法，对于表面具有覆铝层的SiCp/Al复合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，对其直接进行钎焊；对于表面含有SiC颗粒的SiCp/Al复合材料，首先对SiCp/Al复合材料和可伐合金表面直接化学镀Ni(P)合金，然后采用Al-Ag-Cu共晶焊料对其进行钎焊。采用本方法得到的焊接接头能满足微电子封装的各种性能要求，焊料与表面为铝合金的复合材料或镀Ni后的基体材料润湿性能良好。适用于微电子封装中混合集成电路、毫米波/微米波集成电路、多芯片组件等微电子器件的封装外壳。

1、  一种微电子封装用铝碳化硅复合材料与可伐合金的钎焊方法，其特征在于，对SiC_p/Al复合材料具有覆铝层的表面和含有SiC颗粒的表面采用不同的两种钎焊方法，具体工艺为：
(1)对于表面具有覆铝层的SiC_p/Al复合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，对其直接在保护气氛中进行钎焊，焊温度范围为540～590℃，钎焊时间为2～6分钟；
(2)对于表面含有SiC颗粒的SiC_p/Al复合材料，首先对SiC_p/Al复合材料和可伐合金表面直接化学镀Ni(P)合金，其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为3％～13％，余量为Ni，Ni(P)镀层厚度为1.0～7.0μm；采用Al-Ag-Cu共晶焊料对镀Ni后的SiC_p/Al复合材料和可伐合金在保护气氛中进行钎焊，焊温度范围为540～590℃，钎焊时间为2～6分钟。

2、  如权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊所用钎剂为AlF₃-KF系共晶钎剂。

3、  如权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，所述保护气氛为高纯N₂气。

4、  权利要求1所述钎焊方法的用途，适用于微电子封装中混合集成电路、毫米波/微米波集成电路、多芯片组件等微电子器件的封装外壳。

微电子封装用铝碳化硅复合材料与可伐合金的钎焊方法
技术领域
本发明属于金属外壳封装领域，特别涉及铝碳化硅复合材料与可伐合金的钎焊方法。
背景技术
金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃-金属封接技术的一种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装，主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。传统的封装外壳材料可伐合金(kovar)由于其热导率低，电阻率高，密度也较大，使其广泛应用受到了很大限制。高体积分数SiC_p/Al复合材料不仅比强度高、比刚度高，而且导热性能好、CTE可调、密度较低，这些性能使它成为能替代可伐合金且满足气密封装需要的理想材料。到目前为止，国内外对SiC_p/Al复合材料的焊接研究主要集中在SiC_p/Al复合材料用作结构材料时的中温焊接，焊接方法主要沿用铝及铝合金的焊接方法。几乎所有铝及铝合金的焊接方法都先后被用于SiC_p/Al复合材料的焊接，如氩弧焊、电子束焊、激光焊、扩散焊和钎焊等。但这些焊接结构材料的焊料和钎焊方法几乎均不能用于封装工艺中，因为在微电子封装中，一般只能采用钎焊工艺，且对工艺参数和接头性能均提出了更高的要求。而对SiC颗粒增强的铝基材料来说，由于增强相的存在，严重阻碍了钎料在母材上的润湿和铺展，同时给钎焊过程中的温度控制带来困难，另外铝基复合材料表面的氧化膜也同样严重影响钎料在母材表面的润湿和铺展，成为铝基复合材料的一大难点。
当SiC_p/Al复合材料用作封装外壳时，无法直接与玻璃绝缘子进行熔封，只能通过可伐-玻璃绝缘子组件进行气密连接。所以其工艺过程一般如下：(1)SiC_p/Al复合材料与可伐-玻璃绝缘子组件进行气密连接，即SiC_p/Al复合材料与可伐合金的钎焊；(2)通过环氧导电胶或者焊料将芯片连接到封装外壳的底座上；(3)通过平行缝焊或者熔焊将盖板与外壳进行熔封。
由于SiC_p/Al复合材料具有良好的热导率，所以其常用于制备大功率外壳，其发热量大，而环氧导电胶热导率很低，为0.5～2.5W/mK，即使SiC_p/Al的热导率达到200W/mK，其散热效果不会太好。所以只能采用焊料如Au-Si焊料连接芯片，其焊接温度约为450℃。所以，在之前的工艺中，只能选择一种熔点温度高于450℃的中温焊料连接SiC_p/Al复合材料与可伐-玻璃绝缘子组件。这种焊料需要具备以下一些性能：1)钎焊温度在500℃左右，且具有很窄的熔点范围以保证焊料具有很好的流动性；2)钎料必须与Al合金具有良好冶金相容性；3)与基体材料具有电化学相容性。
SiC_p/Al复合材料外壳一般采用粉末冶金的方法一次净终成型，其表面往往覆有一层完整的Al合金层，其厚度一般在0.13mm～0.25mm，在这种情况下，可以像对待Al合金那样钎焊。但是在某些情况下，必须对SiC_p/Al复合材料外壳进行机械加工，这样会使SiC颗粒暴露于表面，这就需要对其表面进行镀覆，然后进行钎焊。钎焊过程中，选用合适的钎剂可破碎或松脱Al合金表面的氧化膜，同时降低熔化钎料与母材之间的界面张力，使熔化钎料的得以在母材表面润湿。
目前国内相关金属外壳厂所一直没有能把SiC_p/Al复合材料真正用于封装金属外壳上，主要是因为缺乏连接SiC_p/Al复合材料与可伐合金的工艺。为了给后续工艺提供足够的温度选择和工艺选择空间，同时保证封装中的芯片具有良好的散热性能，需要在选定适合的焊料的基础上，解决SiC_p/Al复合材料与可伐合金的钎焊连接问题。
发明内容
本发明提供了一种连接SiC_p/Al复合材料与可伐-玻璃绝缘子组件的工艺和技术，并提供了具体的工艺参数，采用Al-Ag-Cu共晶焊料连接SiC_p/Al复合材料与可伐合金，以提高封接工艺的开始温度，为后续工艺过程提供足够的温度选择和工艺选择空间，同时可以保证封装中的芯片具有良好的散热性能。
本发明对SiC_p/Al复合材料具有覆铝层的表面和含有SiC颗粒的表面采用不同的两种钎焊方法，具体工艺为：
(1)对于表面具有覆铝层的SiC_p/Al复合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，对其直接在保护气氛中进行钎焊，焊温度范围为540～590℃，钎焊时间为2～6分钟。
(2)对于表面含有SiC颗粒的SiC_p/Al复合材料，首先对SiC_p/Al复合材料和可伐合金表面直接化学镀Ni(P)合金，其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为3％～13％，余量为Ni，Ni(P)镀层厚度为1.0～7.0μm；采用Al-Ag-Cu共晶焊料对镀Ni后的SiC_p/Al复合材料和可伐合金在保护气氛中进行钎焊，焊温度范围为540～590℃，钎焊时间为2～6分钟。
所述钎焊所用钎剂为AlF₃-KF系共晶钎剂。
所述保护气氛为高纯N₂气。
两种焊接SiC_p/Al复合材料与可伐合金的方法，适用于微电子封装中混合集成电路、毫米波/微米波集成电路、多芯片组件等微电子器件的封装外壳。
与现有技术相比，本发明的特点在于，选用的Al-Ag-Cu共晶焊料有一三元共晶点，组成为w(Al)40.0，w(Cu)19.3，w(Ag)40.7，共晶温度为500℃。此焊料色泽与母材比较一致，钎料流动性极佳，很好的满足与Al合金的良好冶金相容性和与基体材料的良好电化学相容性。
本方法钎焊过程中，采用的AlF₃-KF系共晶钎剂可破碎或松脱Al合金表面的氧化膜，同时降低熔化钎料与母材之间的界面张力，使熔化钎料的得以在母材表面润湿，对基体的腐蚀性小，同时焊后的钎剂残渣容易被去除。
采用本方法得到的焊接接头能满足微电子封装的各种性能要求，焊料与表面为铝合金的复合材料或镀Ni后的基体材料润湿性能良好。封接后的金属外壳具有良好的气密性，同时保证了封装中的芯片具有良好的散热性能。两种封接后的金属外壳均具有如下性能：
(1)外壳气密性：≤1×10^-5Pa·cm³/S；
(2)盐雾：超过48h；
(3)温度循环：-65℃～+175℃，100次；
(4)热冲击：-65℃～+150℃，15次；
(5)剪切强度：65MPa。
附图说明
图1表面具有Al合金覆层的SiC_p/Al复合材料的Al-Ag-Cu钎焊接头的微观结构；
图2表面具有SiC颗粒的SiC_p/Al复合材料钎焊接头示意图；
图3SiC_p/Al复合材料化学镀Ni(P)镀层后的表面形貌；
图4镀Ni后的SiC_p/Al复合材料和可伐合金的Al-Ag-Cu钎焊接头的微观结构。
具体实施方式
实施例1
对于表面具有覆铝层的SiC_p/Al复合材料，采用Al-Ag-Cu共晶焊料，AlF₃-KF系共晶钎剂，钎焊温度为580℃，高纯N₂气保护下钎焊时间为6分钟的钎焊接头由图1所示，由SEM照片可知，焊接接头结合良好，焊料与基体表面铝合金呈现自然过度的方式，几乎没有明显焊接边界。采用以上钎焊工艺的SiC_p/Al复合材料外壳满足气密性、盐雾、温度循环和热冲击等试验要求。剪切强度为65MPa以上。
实施例2
对于表面含有SiC颗粒的SiC_p/Al复合材料，由图2所示，首先对复合材料和可伐合金表面直接化学镀Ni(P)合金，其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为4％，余量为Ni，Ni(P)镀层厚度为2.0μm。在SiC_p/Al复合材料表面化学镀Ni(P)的具体工艺流程可以如下表所示：
机械抛光→化学除油→去离子水洗→酸浸蚀→去离子水洗→敏化→去离子水洗→活化→去离子水洗→化学镀Ni(P)。其中各步的溶液配方及工艺条件如表1至表5所示。
表1 化学除油配方(室温，30s)

表2 酸浸蚀配方(室温，40s)

表3 敏化液配方(室温，120s)

表4 活化液配方(室温，120s)

表5 化学镀Ni(4wt.％P)镀液配方及工艺

利用Al-Ag-Cu焊料和AlF₃-KF系共晶钎剂钎焊具有Ni(P)镀层的SiC_p/Al复合材料与可伐合金，高纯N₂气保护，焊接温度为580℃，焊接时间为6分钟。由图3可知化学镀Ni后的SiC_p/Al复合材料表面质量良好。焊接接头的微观结构如图4所示，可以看出，材料连接良好。采用以上焊接工艺的SiC_p/Al复合材料外壳满足气密性、盐雾、温度循环和热冲击等试验要求。剪切强度为65MPa以上。
实施例3
对于表面含有SiC颗粒的SiC_p/Al复合材料，首先对复合材料和可伐合金表面直接化学镀Ni(P)合金，其中Ni(P)镀层的P质量百分含量为12％，余量为Ni，Ni(P)镀层厚度为6.0μm；采用Al-Ag-Cu共晶焊料和AlF₃-KF系共晶钎剂在590℃高纯N₂气保护下，将镀镍后的复合材料与可伐合金钎焊在一起，钎焊时间为3分钟。化学镀Ni(P)具体工艺如下：
机械抛光→化学除油→去离子水洗→酸浸蚀→去离子水洗→敏化→去离子水洗→活化→去离子水洗→化学镀Ni(P)。其中活化之前的所有工艺与实施例2相同，化学镀Ni(P)的镀液配方和工艺参数如表6所示。
表6 化学镀Ni(12wt.％P)镀液配方及工艺

采用以上焊接工艺的SiC_p/Al复合材料外壳满足气密性、盐雾、温度循环和热冲击等试验要求。剪切强度为65MPa以上。