[发明专利]一种In-Ni体系钎料及其制备方法

说明书

本发明属于钎焊材料技术领域，更具体的涉及一种In‑Ni体系钎料及其制备方法。本发明所述In‑Ni体系钎料由In颗粒与Ni颗粒组成通式为In‑xNi复合颗粒钎料，其中X代表在钎料中Ni的重量百分比，所述X为15‑75。本发明采用In相较于Sn有更低的熔点，采用TLP互连技术能够实现较低温度下键合；In‑Ni体系二元合金相图中，熔点最低的Ni₃In₇相熔点都达到了409℃；实现了低温键合、高温服役的优点。

技术领域

本发明属于钎焊材料技术领域，更具体的涉及一种In-Ni体系钎料及其制备方法。

背景技术

钎焊技术作为一项精密的连接技术，在国防建设和国民经济中发挥着越来越重要的作用，涉及航空、航天、核能、汽车和电子等多个领域，工业界对高温电子器件的需求量在不断增加，对钎焊的要求也越来越高。与此同时，第三代半导体(宽禁带半导体，如SiC和GaN)具有禁带宽度大、功率消耗低、热导率高等特点，元器件能够承受更高的工作温度，高温应用趋势要求其内部连接在高达300℃的恶劣环境下能持续运行。为了满足这些要求，3D封装应运而生。现阶段开发的可应用于3D封装领域的互连技术主要包括金属热压键合、粘合剂键合和硅芯片键合，这些互连技术相较于传统的电子封装有很大的优势，但是也有相当大的局限性，如键合温度高、热失配严重、耐高温性能差等。

为了解决这些问题，科研人员提出将硬钎焊中的TLP技术应用于软钎焊中，这有望实现“低温键合，高温服役”的目标。低温过渡液相(transient liquid phase，TLP)技术不仅很好的满足“低温键合，高温服役”的要求，还保证了反应的快速和质量。目前，国内外的研究主要集中在键合工艺对Ag-In、Cu-In、In-Sn体系的3D封装焊点组织变化以及IMC的生长动力学，对于In-Ni体系钎料的相关研究甚少，尤其是键合工艺对In-Ni体系3D封装焊点的影响方面并没有深入的研究。

然而，In熔点156℃，Sn熔点为231℃，较低的熔点不仅有利于在低温状态下进行封装，避免对电子元器件造成较大的伤害，还可大大降低焊点制造成本。研究表明，Sn和In拥有完全相同的正方晶体结构，Sn的原子半径为145pm，而In的原子半径为156pm。较大的原子半径更有利于In原子和其他原子形核形成新的金属间化合物。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温键合、高温服役的In-Ni体系钎料，In相较于Sn有更低的熔点，采用TLP互连技术能够实现较低温度下键合；In-Ni体系二元合金相图中，熔点最低的Ni₃In₇相熔点都达到了409℃。

本发明是通过如下技术方案实现上述目的的，一种In-Ni体系钎料，所述In-Ni体系钎料由In颗粒与Ni颗粒组成通式为In-xNi复合颗粒钎料，其中X代表在钎料中Ni的重量百分比，所述X为15-75；例如可以为15wt％、30wt％、45wt％、60wt％、75wt％。

优选的，所述In-xNi复合颗粒钎料中X为30；在键合温度为260℃，键合压力为3MPa、键合时间为90min的条件下，随着钎料中In含量的增加，焊点中IMC数量逐渐减少，而黑色孔洞在钎料成分为In-30Ni时最少；剪切强度随着钎料中In含量的增大呈现出先上升而后迅速下降并趋于平缓的趋势，并在钎料成分为In-30Ni时达到最高值为7.9MPa。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种In-Ni体系钎料的制备方法，包括如下步骤：

1)复合钎料粉末的制备

将In颗粒与Ni颗粒按照重量比例，配出In-xNi混合粉末；其次将粉末充分混合均匀后加入松香型助焊剂，将其充分搅拌均匀后获得In-xNi混合颗粒钎料膏；所述松香型助焊剂与In-xNi混合粉末的重量比为1:9；

2)试件表面处理