一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法发明专利

专利名称：一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410273802.3

专利申请（专利权）人：安徽工程大学
权利人地址：安徽省芜湖市鸠江区北京中路

专利发明（设计）人：吴愉乐,周毅腾,赵禹,王刚

专利摘要：本发明涉及异种材料连接技术领域，具体涉及一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法，所述方法是先对SiC表面进行预处理除杂，之后对预处理后的SiC表面进行溅射Cr、Ag两层金属膜的金属化处理，最后采用SnCu或SnAg共晶焊料，将金属化处理后的SiC与铜板装配后进行真空钎焊；其中，SiC表面金属化处理时，SiC基体的温度加热至100～200℃；钎焊的温度为250～280℃，保温时间5～10min。本发明以实现SiC陶瓷与金属Cu的低温可靠连接为研究目的，一方面为电子封装中SiC功率器件的应用提供技术支持，另一方面为陶瓷等难焊和难润湿材料的低温钎焊技术提供设计思路。

主权利要求：
1.一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述方法是先对SiC表面进行预处理除杂，之后对预处理后的SiC表面进行溅射Cr、Ag两层金属膜的金属化处理，最后采用SnCu或SnAg共晶焊料，将金属化处理后的SiC与铜板装配后进行真空钎焊；其中，SiC表面金属化处理时，SiC基体的温度加热至100 200℃；钎焊的温度为250 280℃，保温时间5~ ~ ~
10min；溅射Cr金属膜的厚度为200nm，Ag金属膜的厚度为1000‑2000nm。
2.根据权利要求1所述碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述预处理除杂的方法是采用机械打磨的方式去除SiC和Cu板表面的氧化层及杂质，之后经超声清洗去除表面污渍。
3.根据权利要求1所述碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述SiC表面金属化处理采用的工作气体为20 50mL/min的纯度99.99%的氩气，溅射真空度为0.3~ ~
0.6Pa，溅射功率为100 200W，溅射时间为10 60min。
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4.根据权利要求3所述碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述溅射采用双靶头磁控溅射仪进行溅射。
5.根据权利要求4所述碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述双靶头磁控溅射仪采用纯度≥99.995%的高纯Cr靶和≥99.995%的高纯Ag靶。
6.根据权利要求1所述碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述钎焊的加热速度为5 10℃/min。
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7.根据权利要求1所述碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述钎焊的焊片厚度为0.10 0.15mm。
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8.根据权利要求1所述碳化硅与散热铜板的低温连接方法，其特征在于，所述碳化硅与散热铜板的基体分别采用无压烧结的碳化硅陶瓷与无氧铜板。 说明书 : 一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法技术领域[0001] 本发明涉及异种材料连接技术领域，尤其涉及一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法。背景技术[0002] 碳化硅(SiC)陶瓷具有热膨胀系数小、抗氧化性强、热导率大、耐磨性能好、热稳定性好等优良特性，被广泛应用在航空航天、核能、机械、微电子等领域。而且由于SiC陶瓷具有较高的热导率，且热膨胀系数(CTE)与Si等半导体芯片匹配好，常作为功率器件中陶瓷封装材料，在电子封装领域有着广泛的应用需求。在电子封装实际应用中，为满足导通和散热要求，通常需要将SiC陶瓷与散热铜板或者覆铜陶瓷(DBC)基板进行连接。而为了避免高温连接造成某些功率器件损伤，需实现SiC与Cu衬底的低温可靠连接。因此，开发一种可靠的碳化硅与散热铜板的低温连接技术具有重要意义。[0003] 目前生产上用于SiC与Cu连接的方法主要有活性钎料法和Mo‑Mn法。活性钎料法也称直接钎焊法，一般是将活性元素或稀土元素(Ti、Al、Zr、Cr、In等)引入传统焊料中进行钎焊，而为了激发元素的活性通常需要较高的温度。目前最常用的AgCuTi钎料，焊接温度为880℃‑960℃。Mo‑Mn法是陶瓷金属化技术中的一种重要方法，广泛应用于电子工业中的陶瓷与金属连接，这种方法的原理是以难熔金属粉末Mo作为主要成分，同时添加少量低熔点Mn，混合成浆料后涂布在表面已处理的陶瓷基板表面，然后在加湿气氛中进行高温烧结，形成金属化层，而传统Mo‑Mn法的缺点是烧结温度高、能耗大、工艺复杂，且配方中缺少活化剂导致封孔强度低。即使这两种陶瓷与金属的连接方法仍被广泛的应用于工业中，但对于电子封装实际应用来说，高温连接或高温的陶瓷金属化方法会对功率器件造成一定的损伤，致使电子器件某些功能失效。因此丞待开发一种金属化操作温度低、工艺简单、膜层质量高、易实现批量化生产的SiC与Cu的低温连接技术。发明内容[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法，以解决现有技术中金属化温度高、金属化工艺复杂、焊接温度高、焊接周期较长的问题。[0005] 基于上述目的，本发明提供了一种碳化硅与散热铜板的低温连接方法，所述方法是先对SiC表面进行预处理除杂，之后对预处理后的SiC表面进行溅射Cr、Ag两层金属膜的金属化处理，最后采用SnCu或SnAg共晶焊料，将金属化处理后的SiC与铜板装配后进行真空钎焊；其中，SiC表面金属化处理时，SiC基体的温度加热至100～200℃；钎焊的温度为250～280℃，保温时间5～10min。[0006] 优选的，所述预处理除杂的方法是采用机械打磨的方式去除SiC和Cu板表面的氧化层及杂质，之后经超声清洗去除表面污渍。[0007] 进一步的，所述SiC表面金属化处理采用的工作气体为20～50mL/min的纯度99.99％的氩气，SiC基体加热至100～200℃，溅射真空度为0.3～0.6Pa，溅射功率为100～200W，溅射时间为10～60min。[0008] 优选的，所述溅射采用双靶头磁控溅射仪进行溅射。[0009] 优选的，所述双靶头磁控溅射仪采用纯度≥99.995％的高纯Cr靶和≥99.995％的高纯Ag靶。[0010] 优选的，溅射Cr金属膜的厚度为200nm，Ag金属膜的厚度为1000‑2000nm。[0011] 优选的，所述钎焊的加热速度为5～10℃/min。[0012] 优选的，所述钎焊的焊片厚度为0.10～0.15mm。[0013] 优选的，所述碳化硅与散热铜板的基体分别采用无压烧结的碳化硅陶瓷与无氧铜板。[0014] 本发明的有益效果：[0015] 1、本发明采用磁控溅射技术实现了SiC陶瓷表面金属化，金属化温度较低，工艺简单，能耗小，制备出了用于低温钎焊的高质量金属化薄膜。[0016] 2、本发明采用SnCu或SnAg共晶钎料，焊接温度远低于AgCu活性钎料的钎焊温度，实现了SiC陶瓷与Cu金属的低温连接。焊接温度低，焊接周期短，适用于连续生产，可有效降低生产成本。[0017] 3、本发明一方面为电子封装中SiC功率器件的应用提供技术支持，另一方面为陶瓷等难焊和难润湿材料的低温钎焊技术提供设计思路。附图说明[0018] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0019] 图1为实施例1膜层表面SEM形貌图；[0020] 图2为实施例2膜层表面SEM形貌图；[0021] 图3为对比例1膜层表面SEM形貌图；[0022] 图4为本发明实施例1膜层截面形貌图；[0023] 图5为本发明实施例2膜层截面形貌图；[0024] 图6为对比例1膜层截面形貌；[0025] 图7为本发明实施例1的SiC‑Cu接头的SEM形貌图；[0026] 图8为本发明实施例2的SiC‑Cu接头的SEM形貌图；[0027] 图9为本发明实施例3的SiC‑Cu接头的SEM形貌图；[0028] 图10为对比例1的SiC‑Cu接头的SEM形貌图；[0029] 图11为对比例2的SiC‑Cu接头的SEM形貌图；[0030] 图12本发明实施例1‑3与对比例1‑2的剪切强度对比图。具体实施方式[0031] 需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。[0032] 本发明基于碳化硅功率器件的低温封装应用需求，提出了碳化硅陶瓷与散热铜板的低温连接工艺。针对碳化硅陶瓷难以被传统钎料润湿、热膨胀系数与金属不匹配、避免高温连接造成某些功率器件损伤等技术难点，通过磁控溅射技术对碳化硅进行表面金属化处理，采用SnCu或SnAg共晶钎料对碳化硅和无氧铜进行低温真空钎焊，成功实现了SiC‑Cu的钎焊连接。本发明以实现SiC陶瓷与金属Cu的低温可靠连接为研究目的，一方面为电子封装中SiC功率器件的应用提供技术支持，另一方面为陶瓷等难焊和难润湿材料的低温钎焊技术提供设计思路。[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。[0034] 实施例1[0035] 通过磁控溅射技术在SiC表面溅射Cr、Ag金属膜层，通入30mL/min的高纯(99.99％)氩气作为工作气体，真空度为0.3Pa、基体加热200℃、溅射功率为150W、Cr层溅射10min、Ag层溅射40min。获得了SiC表面高质量金属化膜层(见图1)，Cr层厚度为200nm(见图4)、Ag层厚度为1000nm(见图4)。然后用SnCu钎料将装配好的SiC与Cu放入钎焊炉中进行真空钎焊，焊接温度260℃、加热速度5℃/min、焊片厚度0.1mm、保温8min。钎焊接头处无明显的裂纹和孔洞，实现了SiC与Cu的有效连接，接头平均剪切强度为18.6MPa(见图7)。[0036] 实施例2[0037] 通过磁控溅射技术在SiC表面溅射Cr、Ag金属膜层，通入50mL/min的高纯(99.99％)氩气作为工作气体，真空度为0.5Pa、基体加热200℃、溅射功率为200W、Cr层溅射10min、Ag层溅射60min。获得了SiC表面高质量金属化膜层(见图2)，Cr层厚度为200nm(见图5)、Ag层厚度为2000nm(见图5)。再用SnCu钎料将装配好的SiC与Cu放入钎焊炉中进行真空钎焊，焊接温度275℃、加热速度10℃/min、焊片厚度0.15mm、保温10min。钎焊接头无裂纹和孔洞，实现了SiC与Cu的有效连接，接头平均剪切强度为18.8MPa(见图8)。[0038] 实施例3[0039] 通过磁控溅射技术在SiC表面溅射Cr、Ag金属膜层，通入50mL/min的高纯(99.99％)氩气作为工作气体，真空度为0.5Pa、基体加热200℃、溅射功率为200W、Cr层溅射10min、Ag层溅射60min。获得了SiC表面高质量金属化膜层，Cr层厚度为200nm、Ag层厚度为2000nm。再用SnAg钎料将装配好的SiC与Cu放入钎焊炉中进行真空钎焊，焊接温度270℃、加热速度8℃/min、焊片厚度0.1mm、保温10min。钎焊接头无裂纹和孔洞，实现了SiC与Cu的有效连接，接头平均剪切强度为15MPa(见图9)。[0040] 对比例1[0041] 通过磁控溅射技术在SiC表面溅射Cr、Cu金属膜层，通入40mL/min的高纯(99.99％)氩气作为工作气体，真空度为0.6Pa、基体加热100℃、溅射功率为150W、Cr层溅射10min、Cu层溅射20min。获得了SiC表面高质量金属化膜层(见图3)，Cr层厚度为200nm(见图6)、Cu层厚度为400nm(见图6)。再用纯Sn钎料将装配好的SiC与Cu放入钎焊炉中进行真空钎焊，焊接温度260℃、加热速度10℃/min、焊片厚度0.1mm、保温10min。钎焊接头处发现细微裂纹，接头平均剪切强度为5.6MPa(见图10)。[0042] 对比例2[0043] 通过磁控溅射技术在SiC表面溅射Cr、Cu金属膜层，通入45mL/min的高纯(99.99％)氩气作为工作气体，真空度为0.5Pa、基体加热150℃、溅射功率为180W、Cr层溅射10min、Cu层溅射60min。Cr层厚度为200nm、Cu层厚度为2000nm。再用SnAg钎料将装配好的SiC与Cu放入钎焊炉中进行真空钎焊，焊接温度265℃、加热速度10℃/min、焊片厚度0.1mm、保温10min。钎焊接头平均剪切强度为7.6MPa(见图11)。[0044] 通过上述实施例可以看出，采用磁控溅射技术实现了SiC陶瓷表面金属化，金属化温度相对较低，工艺简单，能耗小，制备出了用于低温钎焊的高质量金属化薄膜。采用SnCu或SnAg共晶钎料，焊接温度远低于AgCu活性钎料的钎焊温度，实现了SiC陶瓷与Cu金属的低温连接。焊接温度低，焊接周期短，适用于连续生产，可有效降低生产成本。[0045] 所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：安徽

专利申请日期：2024-03-11

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118344170B