一种电力电子模块封装用的高温无铅焊片，由Cu、Sn、微量稀土元素和助焊粘合剂组成；所述铜粉、锡粉、微量稀土元素及助焊剂的质量百分比为：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)。制备所述高温无铅焊片的方法如下为：(1)将铜粉、锡粉、微量稀土元素按如下质量百分比配制：(35～38)％：(58～60)％：(0.1～0.25)％；(2)将所配制的铜粉、锡粉和微量稀土元素置于混料机中，在200～400r/min速率下，机械混合10～20h，得到均匀混合粉末；(3)在制得的均匀混合粉末中添加质量百分比为3.9％～4.75％的助焊剂，然后以200～400r/min的速率机械混合2h，得到聚合粉体；(4)将聚合粉体在高压压片机上压力成型，压片机压力范围为10～40MPa，得到厚度为100～150μm的Cu‑Sn复合预成型焊片。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高温无铅焊片及其制备方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，功率器件的工作环境温度越来越高，需要研发一系列环境友好的、性能可靠的高温焊接材料以适应电力电子工业的发展。同时为了应对日益增长的高温电子元器件需求，新一代半导体如SiC、GaN和包装材料AlN、Si3N4已被广泛应用，但作为关键技术之一的电子封装用低成本、高性能的高温无铅焊料的开发却进展缓慢。目前市场上可提供的高温焊料有：铅锡焊料、金锡焊料、金锗焊料、铋银焊料、锌铝焊料、锡锌焊料和锡锑焊料。在这些焊料中焊缝能耐300℃高温而不熔化失效的焊料有Sn–95wt.％Pb、Sn–98wt.％Pb、Au–0.28at.％Ge、Zn–6wt.％Al和Zn–4wt.％Al–3wt.％Mg–3.2wt.％Ga。但是铅污染环境、金为贵金属、锌铝焊料不耐腐蚀且界面润湿性能差，它们的使用均受到了很大限制。因此环保、低成本、焊缝剪切强度高且使用温度在300℃以上的焊料是市场急需产品。然而目前市场上并不能提供该类产品。环保、低成本、高温工作环境下焊缝高可靠性是电子封装用高温焊料的发展方向，也是各国努力研发的关键技术。高压烧结微米级银颗粒及纳米银焊膏和三明治结构焊片(高温金属表面镀低熔点金属)的低温瞬态液相扩散焊接技术(LT-TLPB)，因其可实现在低温操作工艺下制备耐高温焊接接头而被广泛研究。高压烧结微米银颗粒及低温烧结纳米银焊膏技术都存在Ag在介电材料中电迁移的潜在风险，同时因其成本高，工艺流程长、和现行焊接工艺不兼容等缺点阻碍了该技术的规模化产业布局。而利用三明治结构的LT-TLPB技术制备耐高温接头，对镀层纯度、设备及焊接条件有极苛刻的要求，同时存在镀层尺寸限制等挑战。近年来，另一种利用高熔点和低熔点金属粉末直接混合做成焊膏的LT-TLPB焊接技术引起了人们的高度关注。该技术主要是针对Sn-Cu系列或Sn-Ag系列形成的Cu6Sn5与Cu3Sn或Ag3Sn耐高温金属间化合物。这类焊膏在恒温扩散反应过程中会发生反应生成金属间化合物而形成焊接接头。中国专利CN100475996C公开了一种高温无铅焊料用组合物、生产方法及元件，该无铅高温焊料包含一种含银2wt％-18wt％、含铋98wt％-82wt％的银铋合金，具有固相线不低于262.5℃、液相线不高于400℃，但是，该无铅焊料用组合物强度和塑性较低，此焊料用普通助焊膏做成的锡
膏在抗坍塌能力较差，锡珠较多等不良，不利于该无铅焊料用组合物的工业化生产和推广。CN 104476007A公开了一种高熔点无铅无卤焊锡膏及其制备方法，该焊锡膏焊料合金具有固相线温度高于260℃以上，具有强度高，塑性高，抗疲劳特性强的优点，助焊膏具有优良的防坍塌功能该技术是一种非常具有实用前景的可与传统焊膏工艺相兼容的高温；中国专利CN101234456A公开了一种锡银金无铅焊接材料及其制备方法，其熔化温度可达到300℃，润湿性和电学性能优良，焊接效果良好，可代替传统的Sn-95％Pb焊料合金。其组成为银8～13％、金35～45％，其余为锡。贵金属用量大，成本高，焊接温度高；中国专利CN104588906A公开了一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法，该焊膏焊接的样品使用温度可高达400℃，焊缝剪切强度高，性能稳定，但该技术仍然沿用的是焊膏技术，需要采用容易产生污染的丝网印刷技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的不足，致力于研发环保、低成本的高温焊料，本专利技术提出一种高温无铅焊片及其制备方法。该种焊片成型体积密度为4380～6570kg/m3，厚度为100～150μm，焊接温度240-270℃，保温时间3～6h。焊接后本体相抗拉伸强度>65MPa，焊接后焊件的使用温度高达400℃。为实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种高温无铅焊片，由锡粉、铜粉、微量稀土元素及助焊粘合剂组成。所述铜粉、锡粉、微量稀土元素及助焊剂的质量百分比为：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)；所述微量稀土元素为镧、铈或两者的混合物；所用助焊剂为市售MT-10液体松香助焊剂。为使焊片成分组织均匀并易于压制成型，要求金属粉末在球磨混合及压片过程达到原子级接触但不发生化学反应，所述锡粉、铜粉均为球形或近球形。为增加焊接过程反应表面积，以便于粒子间的充分反应，所述锡粉、铜粉采用亚微米级粒子，粒度为：锡粉2-7μm，铜粉0.1-1μm。所述的高温无铅焊片的制备方法包括如下步骤：(1)将铜粉、锡粉、微量稀土元素按如下质量百分比配制：(35～38)％：(58～60)％：(0.1～0.25)％；(2)将步骤(1)配制的铜粉、锡粉和微量稀土元素等物料置于混料机中，在200～400r/min速率下，机械混合10～20h，得到均匀混合粉末；(3)在经步骤(2)制得的均匀混合粉末中添加质量百分比为3.9％～4.75％的助焊剂，然后以200～400r/min的速率机械混合2h，得到具有一定粘结力的聚合粉体。所述锡粉、铜粉均为球形或近球形；锡粉的粒度为2-7μm、铜粉的粒度为0.1-2μm；优
选的，锡粉粒度为2-3μm，铜粉粒度为0.1-0.5μm；所述助焊剂的粘度范围为2～4Pa·s。(4)将步骤(3)制备的具有一定粘度的聚合粉体在高压压片机上压力成型，压片机压力范围为10～40MPa，得到厚度为100～150μm的Cu-Sn复合预成型焊片；对所述的复合预成型焊片进行低温液相扩散烧结，利用Sn的低熔点，使得焊片本体相在较低的烧结工艺温度下，利用Cu与Sn的液固反应转化为耐高温的Cu6Sn5/Cu3Sn复合相。烧结时，将该焊片放置在陶瓷基板上，在真空或惰性气体气氛中，于240℃～270℃下热处理3～6h，随炉冷却，烧结结束后，焊片本体相经XRD分析，测得的物相成分为Cu6Sn5与Cu3Sn的混合相；经拉伸试验机测试，得到焊片本体的拉伸强度>65MPa；所述焊片烧结后，焊件的主要物相为Cu6Sn5/Cu3Sn，Cu3Sn的熔点为415℃，Cu6Sn5的熔点为676℃，因此，利用该焊片焊接后的焊件使用温度可高达400℃以上。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)用本专利技术的高温无铅焊片焊接金属材料时，焊接过程中有液相金属Sn产生，焊接结束时液相金属消失，并产生金属间化合物。普通焊接时金属间化合物主要为疏密有致的Cu6Sn5/Cu3Sn界面层；Cu6Sn5和Cu3Sn熔点分别为415℃和676℃，从而保证该合金材料在400℃不会融化。2)本专利技术焊片的焊接温度为240-270℃，采用本焊片焊接焊件后，焊缝在工作温度低于400℃时不会熔化失效，焊缝可经受高达400℃的高温工作环境。3)本专利技术的高温焊片实现了焊料合金化与焊接过程的统一，且为无铅锡基焊片，环保、成本低、耐腐蚀、界面润湿性能好。4)本高温焊片的制备方法，采用的是金属粉末直接混合的方式，不需要金属熔融成合金再雾化的方式，不仅使得制备方法简单，而且有助于降低焊接温度，当焊片达到锡熔解的温度即可焊接。5)本高温焊片采用直径为0.1-1μm的球形或近球形铜粉，其目的是小颗粒的球形或近球形铜粉在反应中的表面积较大本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电力电子模块封装用高温无铅焊片，其特征在于，所述的高温无铅焊片由Cu、Sn、微量稀土元素和助焊粘合剂组成；所述铜粉、锡粉、微量稀土元素及助焊剂的质量百分比为：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)；利用该焊片焊接后的焊件使用温度能够达到400℃以上。
【技术特征摘要】
1.一种电力电子模块封装用高温无铅焊片，其特征在于，所述的高温无铅焊片由Cu、Sn、微量稀土元素和助焊粘合剂组成；所述铜粉、锡粉、微量稀土元素及助焊剂的质量百分比为：(35～38)：(58～60)：(0.1～0.25)：(3.9～4.75)；利用该焊片焊接后的焊件使用温度能够达到400℃以上。2.按照权利要求1所述的高温无铅焊片，其特征在于，所述微量稀土元素为镧、铈或两者的混合物；所用助焊剂为市售MT-10液体松香助焊剂。3.权利要求1所述高温无铅焊片的制备方法，其特征在于，所述的制备方法步骤如下：(1)将铜粉、锡粉、微量稀土元素按如下质量百分比配制：(35～38)％：(58～60)％：(0.1～0.25)％；(2)将步骤(1)配制的铜粉、锡...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐红艳，徐菊，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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