[发明专利]微电子封装用铝碳化硅复合材料与可伐合金的钎焊方法

说明书

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：