1.本发明涉及金属钎料技术领域，尤其涉及一种铜银锡钎料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.目前，在大功率、高集成度的电子器件封装，尤其是芯片的连接与封装行业，大量采用贵金属钎料。近几年，在igbt产品的制造需求带动下，贵金属钎料的应用越来越广泛。目前，用于电子封装领域的贵金属钎料主要有au-sn、au-si、au-ge等，其具有良好的润湿性和流动性、良好的导热导电性以及耐热耐蚀性、高的稳定性、低的蒸汽压、容易与半导体si或gaas芯片形成共晶键合；但是，其熔点均低于365℃，无法满足大功率、高集成度的电子器件封装的需要。目前市面上的钎料固相线温度最高只有390℃，仍然偏低。因此，急需开发出固相线温度在450℃以上的钎料，以满足高铁用igbt器件制造的需要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种铜银锡钎料及其制备方法和应用。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种铜银锡钎料，由包含下列质量份的组分制备得到：铜2～4份、银3～3.5份、镓0.8～1.3份、镍0.5～1份、锰0.1～0.3份、锡91～93份。
6.本发明还提供了所述铜银锡钎料的制备方法，包含下列步骤：
7.(1)将铜、银、镍和锰混合熔炼得到合金液；
8.(2)将合金液、镓和锡混合后，熔炼、冷却后即得所述铜银锡钎料。
9.作为优选，所述步骤(1)中混合熔炼的初始温度为500～550℃。
10.作为优选，所述步骤(1)中混合熔炼的目标温度为750～850℃；所述混合熔炼的时间为30～50min。
11.作为优选，由所述步骤(1)中混合熔炼的初始温度升温至混合熔炼的目标温度的升温速率为4～8℃/min。
12.作为优选，所述步骤(2)中熔炼的目标温度为950～1050℃。
13.作为优选，由所述步骤(1)中混合熔炼的目标温度升温至步骤(2)中熔炼的目标温度的升温速率为1～3℃/min。
14.作为优选，所述步骤(2)中熔炼的时间为20～40min。
15.作为优选，所述步骤(2)中冷却的速率为10～15℃/min。
16.本发明还提供了所述铜银锡钎料在电子器件封装中的应用。
17.本发明提供了一种铜银锡钎料，由铜、银、镓、镍、锰和锡制备得到。在本技术提供的钎料中，铜和镓的添加可以提高接头的剪切强度，锰可以降低钎料的熔点，改善钎料的润湿性能；镍的添加在提高接头连接强度的同时还可以提高钎料的固相线和液相线温度。本发明还提供了铜银锡钎料的制备方法，经过分步熔炼和冷却的方式即可获得，降低了生产
工艺的要求。本发明提供的钎料，可用于大功率、高集成度的电子器件封装，满足高固相线温度要求。
具体实施方式
18.本发明提供了一种铜银锡钎料，由包含下列质量份的组分制备得到：铜2～4份、银3～3.5份、镓0.8～1.3份、镍0.5～1份、锰0.1～0.3份、锡91～93份。
19.在本发明中，所述铜为2～4份，优选为2.5～3.5份，更优选为2.8～3.2份。
20.在本发明中，钎料中添加铜可以有效的提高接头的强度，但是过量添加后会降低接头的塑性。
21.在本发明中，所述银为3～3.5份，优选为3.1～3.4份，更优选为3.2～3.3份。
22.在本发明中，所述镓为0.8～1.3份，优选为0.9～1.2份，更优选为1～1.1份。
23.在本发明中，添加镓可以改善钎料的流动性和润湿性，提高抗剪切强度，但是超出添加量后，钎料的塑性降低。
24.在本发明中，所述镍为0.5～1份，优选为0.6～0.9份，更优选为0.7～0.8份。
25.在本发明中，镍可以改善钎料的润湿性能，提高连接强度；但是添加镍会提高熔化温度，因此要控制镍的加入量。
26.在本发明中，所述锰为0.1～0.3份，优选为0.15～0.25份，更优选为0.18～0.22份。
27.在本发明中，锰的添加可以降低钎料的熔点，提高剪切强度改善润湿性能，并解决了钎料冶炼与钎焊时的“脱氧”问题。
28.在本发明中，所述锡为91～93份，优选为91.5～92.5份，更优选为91.8～92.2份。
29.在本发明中，采用锡作为基料可以提高流动性，保证钎料充满焊缝。
30.本发明还提供了所述铜银锡钎料的制备方法，包含下列步骤：
31.(1)将铜、银、镍和锰混合熔炼得到合金液；
32.(2)将合金液、镓和锡混合后，熔炼、冷却后即得所述铜银锡钎料。
33.在本发明中，所述步骤(1)中混合熔炼的初始温度优选为500～550℃，进一步优选为510～540℃，更优选为520～530℃。
34.在本发明中，所述步骤(1)中混合熔炼的目标温度优选为750～850℃，进一步优选为760～840℃，更优选为780～820℃，所述混合熔炼的时间优选为30～50min，进一步优选为35～45min，更优选为38～42min。
35.在本发明中，控制初始温度不仅缩短了熔炼的时间，更有助于金属间的结合。步骤(1)中混合熔炼达到目标温度后开始计算混合熔炼的时间。
36.在本发明中，由所述步骤(1)中混合熔炼的初始温度升温至混合熔炼的目标温度的升温速率优选为4～8℃/min，进一步优选为5～7℃/min，更优选为5.5～6.5℃/min。
37.在本发明中，所述步骤(2)中熔炼的目标温度优选为950～1050℃，进一步优选为960～1040℃，更优选为980～1020℃。
38.在本发明中，由所述步骤(1)中混合熔炼的目标温度升温至步骤(2)中熔炼的目标温度的升温速率优选为1～3℃/min，进一步优选为1.5～2.5℃/min，更优选为1.8～2.2℃/min。
39.在本发明中，所述步骤(2)中熔炼的时间优选为20～40min，进一步优选为25～35min，更优选为28～32min。
40.在本发明中，升温至步骤(2)中熔炼的目标温度后开始计算熔炼的时间，熔炼完毕后进行冷却。
41.在本发明中，所述步骤(2)中冷却的速率优选为10～15℃/min，进一步优选为11～14℃/min，更优选为12～13℃/min。
42.本发明还提供了所述铜银锡钎料在电子器件封装中的应用。
43.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
44.实施例1
45.取3份铜、3.2份银、1份镓、0.8份镍、0.2份锰和92份的锡，将铜、银、镍和锰置于530℃的初始温度中，然后控制升温速率为6℃/min升温至800℃，混合熔炼40min得到合金液；将镓和锡加入到合金液中，然后以2℃/min的升温速率升温至1000℃，熔炼30min；熔炼结束后以13℃/min的速率冷却至室温，即得铜银锡钎料。
46.本实施例制备得到铜银锡钎料经过试验，固相线温度为458℃，液相线温度为462℃；在490～510℃，钎焊纯镍板(厚度均为2mm)，钎焊接头抗剪强度为64mpa；且融化后的钎料能很好的充满缝隙，具有良好的润湿性和流动性。
47.实施例2
48.取2份铜、3.5份银、0.8份镓、1份镍、0.1份锰和93份的锡，将铜、银、镍和锰置于500℃的初始温度中，然后控制升温速率为4℃/min升温至750℃，混合熔炼30min得到合金液；将镓和锡加入到合金液中，然后以1℃/min的升温速率升温至950℃，熔炼20min；熔炼结束后以10℃/min的速率冷却至室温，即得铜银锡钎料。
49.本实施例制备得到铜银锡钎料经过试验，固相线温度为456℃，液相线温度为460℃；在490～510℃，钎焊纯镍板(厚度均为2mm)，钎焊接头抗剪强度为61.5mpa；且融化后的钎料能很好的充满缝隙，具有良好的润湿性和流动性。
50.实施例3
51.取4份铜、3份银、1.3份镓、0.5份镍、0.3份锰和91份的锡，将铜、银、镍和锰置于550℃的初始温度中，然后控制升温速率为8℃/min升温至850℃，混合熔炼50min得到合金液；将镓和锡加入到合金液中，然后以3℃/min的升温速率升温至1050℃，熔炼40min；熔炼结束后以15℃/min的速率冷却至室温，即得铜银锡钎料。
52.本实施例制备得到钎料经过试验，固相线温度为456℃，液相线温度为463℃；在490～510℃，钎焊纯镍板(厚度均为2mm)，钎焊接头抗剪强度为61mpa；且融化后的钎料能很好的充满缝隙，具有良好的润湿性和流动性。
53.实施例4
54.取2.8份铜、3.1份银、1.2份镓、0.9份镍、0.15份锰和91.5份的锡，将铜、银、镍和锰置于530℃的初始温度中，然后控制升温速率为6℃/min升温至780℃，混合熔炼45min得到合金液；将镓和锡加入到合金液中，然后以2.5℃/min的升温速率升温至950℃，熔炼28min；熔炼结束后以11℃/min的速率冷却至室温，即得铜银锡钎料。
55.本实施例制备得到钎料经过试验，固相线温度为453℃，液相线温度为463℃；在
490～510℃，钎焊纯镍板(厚度均为2mm)，钎焊接头抗剪强度为62mpa；且融化后的钎料能很好的充满缝隙，具有良好的润湿性和流动性。
56.实施例5
57.取3.5份铜、3.3份银、1.1份镓、0.7份镍、0.18份锰和92.2份的锡，将铜、银、镍和锰置于515℃的初始温度中，然后控制升温速率为7.3℃/min升温至830℃，混合熔炼40min得到合金液；将镓和锡加入到合金液中，然后以1.8℃/min的升温速率升温至970℃，熔炼40min；熔炼结束后以12℃/min的速率冷却至室温，即得铜银锡钎料。
58.本实施例制备得到钎料经过试验，固相线温度为454℃，液相线温度为462.5℃；在490～510℃，钎焊纯镍板(厚度均为2mm)，钎焊接头抗剪强度为63.5mpa；且融化后的钎料能很好的充满缝隙，具有良好的润湿性和流动性。
59.对比例1
60.本对比例和实施例1的区别在于不添加锰，其余的原料组成和工艺参数与实施例1相同。
61.将本对比例获得钎料进行试验，固相线温度为421℃，液相线温度为432℃；在490～510℃，钎焊纯镍板(厚度均为2mm)，钎焊接头抗剪强度为47mpa，拆开后发现，在焊接的中部位置没有钎料，证明锰能有效的提升钎料的润湿性能，保证熔化后的钎料能充满焊接位置。
62.对比例2
63.本对比例和实施例1的区别在于镍的添加量改为1.5份，其余原料组成和工艺参数与实施例1相同。
64.将本对比例获得钎料进行试验，固相线温度为431℃，液相线温度为438℃；在490～510℃，钎焊纯镍板(厚度均为2mm)，钎焊接头抗剪强度为52mpa，在进行焊接时，焊接温度明显提高，大量镍的添加会提高钎料的熔化温度，增加成本。
65.由以上实施例可知，本发明提供了一种铜银锡钎料，通过特定比例的金属元素，获得了一种高固相线温度的钎料，最高可达458℃，且钎焊接头的抗剪强度达到了64mpa。通过对比例也可以看出，金属的选择，例如锰会影响钎料熔化后的润湿性能；而组分用量，会改变钎料的固相线温度、液相线温度和接头抗剪强度，也会增大焊接的成本。
66.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。