一种用于电子封装盖板的复合带材制造技术

本发明专利技术涉及一种用于电子封装盖板的复合带材，该复合带材是将不同金属带轧制复合为一体的五层复合结构，各层从上至下依次排列为：第一层是AgCu合金层、第二层是用于应力吸收的Cu层、第三层是用于平衡应力与扩散阻挡的Ni层、第四层是膨胀合金层、第五层是用于平衡应力与防腐蚀的Ni层，其中，第一层为顶层，第五层为底层。本发明专利技术所述该复合带材用于陶瓷电子外壳的封装盖板，可以显著改善复合材料的封装性能和使用寿命，提高电子元件的品质、可靠性和稳定性。

A Composite Strip for Electronic Packaging Cover

【技术实现步骤摘要】
一种用于电子封装盖板的复合带材
本专利技术属于陶瓷电子封装领域，特别涉及一种用于电子封装盖板的复合带材。
技术介绍
在电子信息、工业控制等领域应用需要使用大量高性能的电子元件，为了保证电子元件的使用性能和寿命，必须将其置于密封的环境里面，因此电子封装技术应运而生。目前使用的封装材料主要有陶瓷、金属和高分子三大类，其中以陶瓷材料制备开口的腔体，内置电子元件后，再以金属作为盖板的封装技术是一种常见的有效方案。金属盖板通常是通过钎焊方式与陶瓷腔体形成紧密的连接从而达到封装效果，优异的气密性是电子封装的基本要求。其要求是：1）盖板材料自身具有良好的致密性并且与陶瓷之间具有良好的焊接性能；2）盖板在钎焊过程中不能因为热应力等作用而产生裂纹、孔隙等缺陷；3）盖板的膨胀系数应该与陶瓷腔体相近，以避免陶瓷腔体或者钎焊区域产生裂纹。现有的单一金属或合金无法同时满足上述三个要求，所以盖板材料都是层状复合材料，其常规结构包括焊料层（AgCu合金）、应力吸收层（Cu）、膨胀合金层和防护层（Ni）四层结构；在要求较低以及无明显氧化和腐蚀介质的场合，也可以只使用焊料层/可伐合金层两层结构（中间的“/”表示界面，下同）或焊料层/应力吸收层/可伐合金层或焊料层/可伐合金层/防护层三层结构。但是，在封装性能和使用寿命要求较高的场合，上述二、三、四层结构的复合盖板材料都难以满足要求。主要问题有：1）由于各层金属材料的膨胀系数不同，封装过程中的热量导致的热应力可能引起盖板变形，降低元件外观质量和气密性；2）热应力虽然没有导致盖板在封装过程中产生变形，但是作为残余应力存在于盖板中，导致使用过程中逐渐发生变形，使得气密性逐渐降低，缩短元件使用寿命；3）在层状复合材料的生产过程中，各层金属之间可能相互扩散，从而形成成分不同的扩散层，严重时甚至改变各层的实际成分，使盖板材料的性能发生变化，造成气密性不良，缩短元件使用寿命；4）各层之间因塑性差异，在冲压时延伸不一致，从而形成内应力，冲压成盖板片时，应力释放后盖板会出现飘曲变形，降低元件外观质量和气密性。这些问题都会导致封装元件的外观不合格、气密性不良或使用寿命不合格等产品缺陷。因此，需要开发性能更优的盖板材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于电子封装盖板的复合带材，该复合带材含有镍应力平衡与扩散阻挡层，用于陶瓷电子外壳的封装盖板，可以显著改善复合材料的封装性能和使用寿命，提高电子元件的品质、可靠性和稳定性。本专利技术的技术方案是：用于电子封装盖板的复合带材，该复合带材是将不同金属带轧制复合为一体的五层复合结构，各层从上至下依次排列为：第一层是AgCu合金层、第二层是用于应力吸收的Cu层、第三层是用于平衡应力与扩散阻挡的Ni层、第四层是膨胀合金层、第五层是用于平衡应力与防腐蚀的Ni层，其中，第一层的厚度为3～20μm；第二层的厚度为5～30μm；第三层的厚度为3～15μm；第四层的厚度为30～45μm；第五层的厚度为3～15μm，其中，第一层为顶层，第五层为底层。所述复合带材总厚50～100μm。所述第四层的膨胀合金为可伐合金（典型牌号4J29）；所述第一层的AgCu合金为AgCu15或AgCu28；所述第二层的Cu层为Cu≥99.9%（重量百分含量）的纯铜；所述第三层和第五层的Ni≥99.9%（重量百分含量）的纯镍。上述用于电子封装盖板的复合带材的制备方法为轧制复合法中的温轧复合法，有如下步骤：1）第一次轧制复合：将Ni层、膨胀合金层、Ni层轧制复合，得到Ni/膨胀合金层/Ni的三层复合带材A（中间的“/”表示界面，下同）；2）第二次轧制复合：将第一层AgCu层、第二层Cu层与复合带材A再次轧制复合，得到AgCu/Cu/Ni/膨胀合金层/Ni的五层复合带材坯料。3）步骤2）得到的复合带材坯料，连续热处理，再通过2-4道次冷轧，再分条，得到成品。步骤1）所述温轧复合的温度600℃～750℃，温轧复合的变形量≥35%。步骤3）中所述连续热处理，是采用卷至卷的连续走带方式，带材从放卷机出料后进入加热段，通过加热段连续加热保温后，立即进入冷却段进行连续冷却，出了冷却段后，到达收卷机收成卷；炉内采用保护气氛进行保护下热处理温度在650℃～750℃，时间2～8秒钟。所述保护气体为氨分解气或氢气。本专利技术在Cu应力吸收层与膨胀合金层之间加入了Ni应力平衡与扩散阻挡层。所述Ni应力平衡与扩散阻挡层的第一个作用是抑制在高温钎焊时Ag、Cu向膨胀合金层扩散，确保膨胀合金的成分不会发生改变，使其膨胀系数与陶瓷一致，减少膨胀合金与陶瓷基座之间的内应力，确保气密性。传统的四层结构在实际高温针焊过程中就因这种Ag、Cu向膨胀合金层扩散而造成膨胀合金的成分和膨胀系数发生改变，致使制成的良品率降低，同时在要求较高的场合长期稳定性不佳。本专利技术的材料Cu应力吸收层与膨胀合金层之间加入了Ni应力平衡与扩散阻挡层，是由于膨胀合金典型材质为4J29合金，其主要成分由Fe、Co和Ni组成，含Ni量在17%（重量百分数）左右，其中不含Cu元素；在材料的加工及使用温度范围内，Ni层也不易向膨胀合金扩散，即使有轻微扩散，因Ni元素也是膨胀合金的主元素，对膨胀合金的膨胀系数没有影响，这样就能够确保封装的气密性及长期稳定性。Ni应力平衡与扩散阻挡层的第二个作用是调整应力分布。在传统四层结构中，Cu、膨胀合金和Ni防护层的热膨胀系数不同，其分别为Cu约17.5×10-6/℃、Ni约13×10-6/℃、膨胀合金约4.7×10-6/℃，在钎焊过程中必然导致层间热应力的产生，而且这种应力的分布时不平衡的，Cu和Ni的膨胀系数均大于膨胀合金，所以膨胀合金在两侧都会受到拉应力，由于Cu的膨胀系数大于Ni，所以靠Cu侧的拉应力较靠Ni侧的拉应力更大，使得膨胀合金两侧的应力不均匀。这种应力的不均匀容易导致钎焊变形或延迟变形，严重时引起微孔等缺陷降低气密性。本专利技术的材料在Cu应力吸收层与膨胀合金层之间加入Ni应力平衡与扩散阻挡层，Ni的膨胀系数小于Cu，因此在钎焊过程中可以对Cu产生压应力，抑制其热膨胀，从而减小膨胀合金在该侧承受的拉应力，使得膨胀合金两侧的热应力更为平衡，减小其变形和产生缺陷的倾向，提高封装和气密性和可靠性。Ni应力平衡与扩散阻挡层的第三个作用显著改善材料的冲压性能。传统四层结构材料，各层的塑性差异较大，膨胀合金层的硬度高、塑性最差，在冲压变形时延伸最小，而AgCu焊料层其次，Cu层和镍层最好，因此在冲压加工时因膨胀合金层延伸小，顶层的AgCu合金和Cu层延伸好，冲压成盖板的片材应力释放后片材会向膨胀合金层方向弯曲显现“飘曲”的变形，并造成片材板形不良，一方面这种板形会造成冲压工序良品率下降，另一方面即使部分盖板冲压后没有造成板形“飘曲”，但其内应力的存在带入封装工序也会对封装质量造成不利影响；加入Ni应力平衡与扩散阻挡层后，在膨胀合金层两侧均有一层Ni层，当冲压变形时，两边的Ni层会有效的对应力进行平衡、吸收、缓冲，从而大幅减少冲压时的内应力，提高冲压良品率，并避免残余应力带入封装工序。Ni的厚度控制在3～15μm为佳，如果过薄，其抑制扩散和调整应力分布的作用难以发挥；如果太厚，则一是不利于复合带材整体厚度精度的控制，二是削弱Cu层吸收应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电子封装盖板的复合带材，其特征在于：该复合带材是将不同金属带轧制复合为一体的五层复合结构，各层从上至下依次排列为：第一层是AgCu合金层、第二层是用于应力吸收的Cu层、第三层是用于平衡应力与扩散阻挡的Ni层、第四层是膨胀合金层、第五层是用于平衡应力与防腐蚀的Ni层，其中，第一层为顶层，第五层为底层。

【技术特征摘要】
1.一种用于电子封装盖板的复合带材，其特征在于：该复合带材是将不同金属带轧制复合为一体的五层复合结构，各层从上至下依次排列为：第一层是AgCu合金层、第二层是用于应力吸收的Cu层、第三层是用于平衡应力与扩散阻挡的Ni层、第四层是膨胀合金层、第五层是用于平衡应力与防腐蚀的Ni层，其中，第一层为顶层，第五层为底层。2.根据权利要求1所述的复合带材，其特征在于：所述复合带材的第一层的厚度为3～20μm；第二层的厚度为5～30μm；第三层的厚度为3～15μm；第四层的厚度为30～45μm；第五层的厚度为3～15μm。3.根据权利要求1所述的复合带材，其特征在于：所述复合带材总厚为50～100μm。4.根据权利要求1所述的复合带材，其特征在于：所述第四层的膨胀合金为可伐合金；所述第一层的AgCu合金为AgCu15或AgCu28；所述第二层的Cu层为Cu≥99.9%的纯铜；所述第三层和第五层的Ni≥99.9%的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永红，杨贤军，龚文明，吴传军，刘安利，
申请(专利权)人：重庆川仪自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50