БЕССВИНЦОВАЯ ФОЛЬГА ПРИПОЯ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОЙ ПАЙКИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
LEAD-FREE SOLDER FOIL FOR DIFFUSION SOLDERING AND ITS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к бессвинцовой фольге припоя для диффузионной пайки и способу ее изготовления, с помощью которой между собой могут соединяться металлические элементы и/или металлизированные/покрытые металлом элементы, т.е. металлические поверхностные слои соседних элементов.
Надежность мест пайки в электронике и при этом, в частности, в силовой электронике требует сегодня очень хороших механических, электрических и термических свойств припоев, как и полученных с их помощью зон спая, причем их постоянство в настоящее время должно распространяться на все более широкие температурные диапазоны.
По причинам охраны окружающей среды и безопасности для здоровья международным трендом является применение экологичных и безвредных бессвинцовых припоев.
В процессе перехода на бессвинцовые припои были разработаны многочисленные варианты припоев, большей частью на основе олова, которые по сравнению с содержащими свинец сплавами имеют, правда, хорошие механические, электрические и термические свойства, однако плавятся в диапазоне от 214 до 250°С, так что постоянство их хороших свойств ограничено областями применения примерно до 150°С.
Для более высоких рабочих температур/температур применения в настоящее время отсутствуют бессвинцовые припои, которые объединяли бы в себе требуемое в силовой электронике температурное постоянство свойств с необходимыми надежностью и рентабельностью.
Поэтому при применениях при высоких температурах, т.е., в частности, при рабочих температурах выше 250°С, существует необходимость разработки новых, недорогих в применении бессвинцовых припоев, которые отвечали бы предъявляемым в силовой электронике требованиям к температурному режиму, чтобы, с одной стороны, в процессе пайки не повредить соединяемые узлы, а, с другой стороны, также с точки зрения рентабельности, достичь стойкого к высоким температурам паяного соединения, которое обеспечивало бы высокую термическую надежность зон спая между соседними элементами.
В настоящее время в электронике и смежных отраслях промышленности частично применяется дорогой эвтектический припой Au80Sn20 с температурой плавления 280°С.
Однако широкое применение этого припоя Au80Sn20, например для пайки кремниевых полупроводниковых схем в силовых электронных выключателях, невозможно из-за его высокой стоимости.
В US 7659614 В2 в этой связи уже описано также соединение покрытых золотом и/или серебром подложек и электронных элементов с применением оловосодержащих золотых или индиевых припоев. При применении этих материалов золото и/или серебро из металлизированных слоев образуют с оловом и/или индием зоны спая с более высокими температурами плавления, чем первоначально применявшиеся припои. Процесс соединения происходит, по меньшей мере, при 250°С и длится 10-30 минут, однако при этом всегда необходимо небольшое давление прижима, что делает процесс пайки также сложнее.
Поэтому использование этого раскрытого в US 7659614 В2 технического решения вследствие технологических затрат и высокой стоимости материала остается сильно ограниченным для покрытий, а припой – для применения в промышленных масштабах.
Поскольку в промышленности до сих пор нет никакой технически и экономически приемлемой бессвинцовой альтернативы золотосодержащим сплавам, несмотря на международную потребность в экологичных и безвредных бессвинцовых припоях, выпускались в порядке исключения положения, согласно которым свинец до сих пор все еще разрешен в тугоплавких припоях (т.е. в сплавах для пайки на основе свинца с его массовой долей, по меньшей мере, 85%), и поэтому на практике, несмотря на вредность и неэкологичность, он еще нередко находит применение.
Вследствие возрастающего использования широкозонных полупроводников, например из SiC или GaN, рабочие температуры которых могут возрастать гораздо выше 200°С, усиливается спрос на паяные соединения, отвечающие техническим требованиям в области высокотемпературных применений, т.е. рабочих температур в диапазоне от 150°С до 400°С.
Для решения этой проблемы была разработана, в том числе, техника спекания, с помощью которой для соединения электронных компонентов используются в большинстве случаев серебросодержащие пасты. Но в противоположность пайке в этом способе соединения обязательно требуется прижимное усилие. Однако этот дополнительный технологический прием «прижимное усилие» является также существенной причиной того, что техника спекания до сих пор не смогла найти широкого применения.
Другая альтернатива открывается с использованием реакционных припоев. Это – реактивные многослойные системы, выполненные из имеющих толщину несколько нанометров слоев, по меньшей мере, двух разных материалов. После активирования между слоями начинается диффузия, которая быстро развивается в экзотермическую реакцию. Последняя создает необходимое для плавления припоя тепло. Для этого очень тонкие (гораздо менее 1 мкм) слои двух подходящих металлов необходимо попеременно осаждать друг на друга до тех пор, пока не возникнет фольга общей толщиной от 40 до 150 мкм, внешние слои которой состоят, однако, из припоя. От этой многослойной фольги могут быть отделены фасонки припоя. В качестве альтернативы эти металлы могут быть попеременно осаждены на припаиваемый элемент, причем внешним слоем опять-таки должен быть припой. Процесс соединения начинается с зажигания реактивных слоев, а скоростью и количеством тепла можно управлять только посредством многослойной структуры, т.е. процесс соединения следует определять индивидуально для каждого возможного задания пайки еще при изготовлении фасонок припоя или покрытии спаиваемых элементов, что для широкого и универсального применения этой техники означает большое препятствие.
Вариантом широко применяемой техники низкотемпературной пайки является диффузионная пайка, которая реализуется при применении традиционной техники, однако с добавлением различных технологических этапов, таких как использование внешнего прижимного усилия или последующей термообработки, или за счет более длительных профилей пайки. В результате такого способа в процессе пайки возникает отличающийся от первоначального состава низкотемпературного припоя, прочно соединяющий соединяемые элементы материал, температура плавления которого выше, чем у применяемого припоя. Для образования этого нового материала, тугоплавкой интерметаллической фазы, помимо распространенного в припое легкоплавкого металла, например олова, требуется дополнительный тугоплавкий металл, например медь, из которых в результате диффузии возникают интерметаллические фазы, чьи точки плавления выше, чем у легкоплавкого металла.
Из DE 102007010242 А1 известен способ соединения двух металлических слоев с помощью процесса диффузионной пайки. Это решение предполагает, что каждый металлический слой вначале уже структурирован особым образом и, по меньшей мере, один из них дополнительно должен быть покрыт слоем припоя. Только это совершенно специальное, адаптированное к соответствующим соединяемым компонентам выполнение слоев обеспечивает тогда образование компактной, правильно размещенной зоны спая из такой интерметаллической фазы без необходимости приложения дополнительного прижимного усилия в процессе пайки. Поэтому также это решение ограничено совершенно специальными применениями, например припаиванием чипов к платам.
Из US 8348139 В2 известна многослойная фольга припоя для диффузионной пайки, выполненная из металлического сердечника, который состоит из чистых металлов или их сплавов с точкой плавления выше 280°С и соединен с обеих сторон с одинаковыми или разными слоями, состоящими из припоев на основе олова или индия, причем толщина используемых слоев припоя составляет, по меньшей мере, 5 мкм.
У этой многослойной фольги припоя согласно US 8348139 В2 процесс диффузионной пайки выполняется при температуре от 300 до 380°С в течение 5-8 мин. Затем, чтобы обеспечить сплошной слой интерметаллической фазы, необходимо, однако, провести еще термообработку соединенных компонентов. В этом решении после термообработки еще сохраняется неопределенная толщина слоя металлического материала сердечника.
Далее из US 2006186550 А известна многослойная фольга припоя для диффузионной пайки, выполненная из металлического сердечника, который может состоять из Ag, Au, Cu или Ni и на который с обеих сторон нанесены слои, состоящие из припоев на основе олова, индия или висмута. В процессе диффузионной пайки нанесенные слои имеют толщину от 1 мкм до максимум 20 мкм, с тем чтобы в течение целесообразной продолжительности процесса (около 10 мин при 240°С) превращение жидкой фазы в интерметаллические фазы было реализовано так, чтобы оставалась обеспеченной адгезия спаянных компонентов на последующем этапе процесса при 260°С.
Сам процесс диффузионной пайки, как и надежность возникающего соединительного слоя, исследовались также в публикациях, в том числе N. Oescher et al.: Diffusionslötentechnologie für hochzuverlässige Chip-Substrat-Verbindungen, Weichlöten 2013, DVS-Berichte Band 290, S. 55-61 и C. Ehrhardt et al.: Prüfverfahren der Verbindungstechnik von leistungselektronischen Modulen, Weichlöten 2013, DVS-Berichte Band 290, S. 43-51. Описанные в этих публикациях результаты приведены только для покрытых медью/оловом соединений полупроводник-подложка и достигались только с использованием прижимного усилия.
В US 9620434 В1 также описано соединение элементов силовой электроники посредством диффузионной пайки, которая подходит для рабочих температур выше 250°С. Для этого используются две многослойные системы, состоящие соответственно из одного тугоплавкого и одного легкоплавкого металлических слоев, размещаемых на соединяемых компонентах. При необходимости, вся система строится также с добавлением туго- и легкоплавких металлических частиц между металлическими слоями, а затем нагревается. Недостаток этого решения заключается в том, что полное превращение жидкой фазы припоя в интерметаллические соединения/интерметаллические фазы возможно только за счет заметного увеличения традиционной продолжительности пайки, т.е. при использовании этого решения обязательно требуется продолжительность процесса более 30 мин.
В US 2017/0080662 А1 для соединения подложек, здесь элементов силовой электроники, подверженных термическим циклам с рабочими температурами выше 250°С, используется комбинированный соединительный слой, имеющий внутреннюю соединительную область и внешнюю соединительную область, расположенную вокруг внутренней соединительной области, причем материал внутренней соединительной области имеет более высокий модуль упругости, чем материал внешней соединительной области, с металлической матрицей, причем часть металлической матрицы расположена во внешней соединительной области, а часть – во внутренней соединительной области, причем модуль упругости металлической матрицы выше, чем у элементов из мягкого материала, однако ниже, чем у элементов из твердого материала. Это решение направлено на компенсацию напряжений между материалами с разными коэффициентами теплового расширения.
Частный случай этой названной комбинированным соединительным слоем средней подложки включает в себя также диффузионное паяное соединение. Однако поскольку в описании приведенного выше изобретения отсутствуют данные о процессе и продолжительности соединения, а также о строении достигнутого места соединения, также в этом решении следует исходить из принятой в уровне техники продолжительности процесса пайки более 30 минут, которая, согласно уровню техники, требуется, чтобы достичь полного превращения жидкого припоя в интерметаллические фазы.
Из другой публикации A. Syed-Khaja et al.: Process optimization in transient liquid phase soldering (TLPS) for an efficient and economical production of high temperature power electronics, CIPS 2016, S. 187-193 известно использование отдельной фасонки припоя из традиционных сплавов для диффузионной пайки подложек с полупроводниковым элементом. В этой публикации говорится о том, что использование тонких фасонок (25 мкм) традиционного SnCu-припоя не более чем с 3% меди без использования прижимного усилия приводит к полному образованию тугоплавкой интерметаллической зоны спая, однако для этого требуются немного более длительная продолжительность пайки и, по меньшей мере, один металлизированный элемент соответствующей шероховатости. Однако при использовании фасонок припоя, состоящих из плакированной с обеих сторон чистым оловом меди (Sn 20 мкм/Cu 35 мкм/Sn 20 мкм), достигалось лишь частичное превращение в тугоплавкую фазу, т.е. в зоне спая оставалась доля легкоплавкого припоя с соответственно низкой температурой плавления. Только при использовании металлизированных медью элементов это превращение протекало полностью. Все результаты достигались только после продолжительности пайки 22 мин при температуре 260°С с элементами подходящей шероховатости.
В публикации C. Ehrhardt et al.: Prüfverfahren der Verbindungstechnik von leistungselektronischen Modulen, Weichlöten 2013, DVS-Berichte Band 290, S. 43-51 говорится о том, что для реализации процесса диффузионной пайки традиционные бессвинцовые паяльные пасты необходимо дополнительно однородно смешать с тугоплавкими порошками, например медными. При этом расплавленный припой на основе олова бессвинцовой паяльной пасты растворяет медный порошок, в результате чего удалось образовать интерметаллические фазы Cu6Sn5 и Cu3Sn. Благодаря использованию этих смешанных с тугоплавкими порошками бессвинцовых паяльных паст жидкая фаза в процессе диффузионной пайки при приложении прижимного усилия полностью превратилась в интерметаллические фазы. Точки плавления обеих образовавшихся фаз составляют соответственно 415°С и 676°С. Однако их свободное от пор образование помимо прижимного усилия в процессе пайки привязано к очень однородному смешиванию обоих необходимых компонентов – паяльной пасты и порошка.
В ЕР 1337376 В1 описана паяльная паста, используемая в качестве припоя. Эта паяльная паста содержит дополнительно к припою покрытые металлом изолирующие сердечники, имеющие высокую температуру плавления. В этом решении припой в процессе пайки полностью реагирует с металлизацией сердечников и образует на основе процесса диффузионной пайки интерметаллические фазы, которые затем окружают тугоплавкие сердечники. Образующийся паяный шов имеет, в целом, гетерогенную структуру, что негативно сказывается на теплопроводности достигнутой в этом решении зоны спая.
В WO 96/19314 описана порошковая смесь, у которой припой состоит из туго- и легкоплавких металлических компонентов, к которым в качестве присадки примешаны зернистые или пластинчатые компоненты-наполнители. Вообще, металлические порошки или металлические грануляты очень дороги в изготовлении и имеют к тому же большой разброс по размерам, так что требуются промежуточные процессы сортировки, а, кроме того, проблематичным и потому очень затратным является однородное смешивание металлического порошка. Сама порошковая смесь должна затем использоваться преимущественно в виде суспензии с жидким органическим растворителем или в виде пасты. При этом задачей находящего в этой связи применение компонента-наполнителя является ограничение толщины образующихся во время диффузионной пайки интерметаллических фаз до нескольких мкм. Поэтому в зависимости от смачиваемости он должен снабжаться соответствующими, способствующими или тормозящими связь покрытиями и очень однородно смешиваться с металлическими компонентами. В особых вариантах выполнения в данном решении состоящий из порошков припой может также прессоваться в фольгу, из которой затем высекаются фасонки припоя, укладываемые между соединяемыми объектами. Изготовление такой фольги с однородным распределением используемых порошков является очень сложным и затратным делом, причем при прессовании, т.е. методом порошковой металлургии, теоретическая плотность не достигается или достигается лишь с очень большим трудом, т.е. с высокими затратами.
Недостаток всех вариантов этого решения согласно WO 96/19314 состоит в том, что дополнительно к обоим описанным выше металлическим компонентам требуется еще компонент-наполнитель, чтобы достичь нужных интерметаллических фаз. К тому же, согласно описанию, в этом решении также требуется продолжительность процесса пайки более 30 минут, чтобы достичь полного превращения жидкого припоя в интерметаллические фазы, или в качестве альтернативы последующий процесс отжига.
Для лучшего смачивания поверхностей в процессе пайки как предпочтительное рассматривается добавление флюса. Однако этот флюс в отношении безопасности труда и охраны здоровья имеет тот недостаток, что образуется органическая кислота, которая вслед за процессом пайки обязательно должна быть удалена за дополнительную операцию.
Другие решения, в которых также состоящий из порошков припой со всеми описанными выше недостатками либо непосредственно прессуется в пленки припоя, либо помещается между двумя соседними пленками, известно, например, из JP 6042577 B1, (EP 3266558 A1), WO 2017/077824 A1, (US 2018/126494 A1) и US 962434 B1.
Кроме того, из US 2006/186550 А1 известна фольга припоя, которая выполнена в виде многослойной композиции, состоит из нескольких сплошных слоев Sn и Cu и может использоваться для пайки проволок в полупроводниковом устройстве.
Резюмируя вышесказанное, следует констатировать, что используемые в настоящее время в силовой электронике и других областях недорогие бессвинцовые легкоплавкие припои могут покрывать только диапазон рабочих температур примерно до 150°С. Для диапазона рабочих температур паяных элементов выше 150°С пока нет технически и экономически приемлемой альтернативы золотосодержащим сплавам для пайки, которая объединяла бы требуемое в силовой электронике температурное постоянство с требуемой надежностью с приемлемой рентабельностью, т.е. в течение короткой, т.е. типичной для низкотемпературной пайки, продолжительности пайки, и без дополнительных параметров процесса, например дополнительного прижимного усилия или дополнительной последующей термообработки.
В этой связи существует поэтому необходимость создания новых бессвинцовых припоев, по возможности в виде фольги, так чтобы их можно было недорого использовать затем технологически также в виде фасонок припоя.
Задачей изобретения является разработка экономически приемлемой, экологичной и безвредной бессвинцовой фольги припоя для диффузионной пайки и способа ее изготовления, которая с типичным для низкотемпературной пайки профилем, т.е. исключая длительную продолжительность пайки, как и без последующей термообработки и без приложения прижимного усилия во время пайки, при одновременном предотвращении порообразования должна соединять между собой металлические/металлизированные поверхностные слои спаиваемых элементов так, чтобы возникла тугоплавкая зона спая с температурой повторного расплавления выше 400°С, причем посредством разрабатываемой бессвинцовой фольги припоя должны покрываться даже электропроводящие полоски в области соединения, так чтобы в области соединения полосок температура повторного расплавления образовавшейся после процесса пайки тугоплавкой зоны спая лежала выше 400°С, а, кроме того, для специальных применений, в особом выполнении, бессвинцовая фольга припоя должна иметь соответствующий коэффициент теплового расширения, чтобы воспринимать введенные в результате пайки, как и возникающие во время использования элементов термические напряжения, а также одновременно повысить механическую гибкость возникающей после процесса пайки зоны спая.
Согласно изобретению, эта задача решается посредством бессвинцовой фольги припоя 1 для диффузионной пайки и способа ее изготовления, посредством которой между собой могут соединяться металлические элементы 2 и/или металлизированные/покрытые металлом элементы 2, т.е. металлические поверхностные слои 3 соседних элементов 2, и которая отличается тем, что она выполнена компактно в виде композиционного припоя 4 так, что в бессвинцовом окружении легкоплавкого припоя (матрицы 5 легкоплавкого припоя) частицы 6 тугоплавкого металлического компонента 7 (компонента тугоплавкий припой), будучи дисперсно распределены, расположены так, что каждая из частиц 6 полностью окружена бессвинцовым легкоплавким припоем 8, чтобы в обычном процессе низкотемпературной пайки обеспечить полное превращение легкоплавкого припоя 8 матрицы 5 легкоплавкого припоя в интерметаллические фазы 9, имеющие температуру плавления выше 400°С.
Предложенная компактная, изготовленная в виде композита, бессвинцовая фольга 1 припоя включает в себя весь требуемый для образования тугоплавкой интерметаллической фазы материал, причем благодаря предложенному распределению требуемого для образования тугоплавкой интерметаллической фазы материала в сочетании с предложенным компактным выполнением в виде фольги 1 припоя в процессе бессвинцовой низкотемпературной пайки при температурах около 240°С достигается очень быстрое и свободное от пор образование тугоплавкой интерметаллической зоны спая 16 с температурами повторного расплавления выше 400°С.
В этой связи существенным для изобретения является то, что дисперсно распределенные в матрице 5 легкоплавкого припоя частицы 6 тугоплавкого металлического компонента 7 в направлении толщины фольги имеют толщину от 3 до 20 мкм, причем расстояния между частицами 6 в матрице 5 легкоплавкого припоя составляют от 1 до 10 мкм, и каждая из частиц тугоплавкого металлического компонента 7 со всех сторон окружена слоем бессвинцового легкоплавкого припоя 8 толщиной от 1 до 10 мкм.
Посредством предложенной бессвинцовой компактной фольги припоя 1 с расположенными в матрице 5 легкоплавкого припоя (окружении легкоплавкого припоя) частицами 6 тугоплавкого припоя в сочетании с их дисперсным распределением и при этом одновременно компактной заделкой в матрицу 5 легкоплавкого припоя в типичном для бессвинцовой низкотемпературной пайки процессе без длительной продолжительности пайки, без последующей термообработки и без приложения прижимного усилия обеспечивается диффузионная пайка, которая одновременно препятствует порообразованию и соединяет между собой металлические/металлизированные поверхностные слои 3 спаиваемых элементов 2 так, что между соединяемыми элементами 2 образуется сплошной, свободный от пор слой тугоплавкой зоны спая 16 в виде интерметаллической фазы 9, температура повторного расплавления которой лежит выше 400°С.
При этом отличием является то, что доля легкоплавкого припоя (матрицы 5 легкоплавкого припоя) по сравнению с долей тугоплавкого металлического компонента 7 не превышает того, что требуется в образуемых интерметаллических фазах 9. Это отношение процентной доли расположенных в композиционном припое 4 частиц 6 тугоплавкого металлического компонента 7 к процентной доле легкоплавкого припоя 8 (окружающей частицы 6 матрицы 5 легкоплавкого припоя) определяется по стехиометрической формуле образуемых из соответствующих исходных материалов интерметаллических фаз 9 так, что всегда весь легкоплавкий припой 8 бессвинцовой матрицы 5 легкоплавкого припоя превращается в соответственно образуемые интерметаллические фазы 9.
Отношение доли легкоплавкого припоя к доле частиц 6 тугоплавкого металлического компонента 7 в матрице 5 легкоплавкого припоя зависит, тем самым, от стехиометрической формулы соответственно образуемых интерметаллических фаз 9. Например, это был бы случай при применении комбинации Sn/Cu с 50% Sn, CuSn3 и Cu6Sn5.
Решающим для температуры повторного расплавления выше 400°С является то, что вся матрица 5 легкоплавкого припоя всегда изменяется, иначе возникли бы области в зоне спая 16 с более низкой температурой плавления, а это нежелательно.
При другой комбинации, например при применении комбинации Sn/Ni с 43% Sn, образуются в качестве интерметаллических фаз Ni3Sn4.
Однако в этой связи следует также констатировать, что после процесса пайки в зоне спая 16 еще могут оставаться частицы 6 тугоплавкого металлического компонента, а температура повторного расплавления, тем не менее, остается выше 400°С.
За счет этой более высокой доли частиц 6, т.е. посредством тугоплавкого оставшегося металла, который после процесса пайки заключен в виде островков, например из меди, в интерметаллической фазе 9, можно оказать влияние на механические, электрические и теплопроводящие свойства полученной после процесса пайки зоны спая 16.
Согласно изобретению, поэтому решающим является лишь то, что весь компонент легкоплавкий припой, израсходованный в процессе пайки, должен быть превращен в интерметаллические фазы 9, чтобы после процесса пайки обеспечить температуру повторного расплавления выше 400°С.
Например, при применении комбинации In/Ag для достижения температуры повторного расплавления выше 400°С потребовалась очень высокая доля серебра. Поскольку, однако, задачей изобретения является разработка экономически приемлемой бессвинцовой фольги припоя для диффузионной пайки, эта комбинация не принимается во внимание.
Существенно также то, что общая толщина бессвинцовой фольги 1 припоя в соответствии с технологическими рамочными условиями/нужными свойствами зоны спая 16 составляет от 20 мкм до 0,5 мм.
Отличием далее является то, что фольга 1 припоя (композиционный припой 4) содержит соседний с металлическими поверхностными слоями 3 соединяемых элементов 2 внешний покрывной слой 10, толщина которого составляет от 2 до 10 мкм и который состоит из легкоплавкого припоя 8.
Этот состоящий из легкоплавкого припоя 8 покрывной слой 10 служит в процессе пайки для полного смачивания соединяемых поверхностей/поверхностных слоев 3 соседних элементов 2 и образования интерметаллических фаз 9 с этими металлизациями (например, Cu, Ni, Ni(P), Ni(Ag)) поверхностей соединяемых элементов 2.
Эта бессвинцовая фольга припоя 1 обеспечивает с типичным для бессвинцовой низкотемпературной пайки профилем пайки, например при использовании фольги припоя 1 толщиной от 30 мкм до 250 мкм при температуре пайки около 240° и продолжительности пайки менее 5 минут, без какой-либо последующей термообработки, как и без приложения прижимного усилия во время пайки, при одновременном предотвращении порообразования то, что металлические/металлизированные поверхностные слои 3 спаиваемых элементов 2 соединяются между собой так, что образуется сплошной слой тугоплавкой зоны спая 16 в виде интерметаллической фазы 9, которая имеет температуру повторного расплавления выше 400°С.
Существенным для изобретения является то, что бессвинцовая фольга 1 припоя в соответствии со специальными техническими или технологическими требованиями, а также по экономическим причинам выполнена в виде многослойной фольги 11 припоя, причем ее отдельные слои попеременно состоят из описанного выше композиционного припоя 4 и тугоплавкого металлического компонента 7 толщиной от 2 мкм до 100 мкм (промежуточного слоя 23), причем многослойная фольга 11 припоя также содержит соседний с металлическими поверхностными слоями 3 соединяемых элементов 2 внешний покрывной слой 10, толщина которого составляет от 2 мкм до 10 мкм и который состоит из легкоплавкого припоя 8, а общая толщина многослойной фольги 11 припоя составляет от 40 мкм до 1,0 мм.
Посредством этого особого выполнения, многослойной фольги 11 припоя, бессвинцовая фольга 1 припоя может иметь также соответствующий коэффициент теплового расширения, чтобы воспринимать введенные в процессе пайки, как и возникающие при использовании элементов термические напряжения, и одновременно повысить механическую гибкость образовавшейся после процесса пайки зоны спая.
Существенно также, что бессвинцовая фольга 1 припоя может использоваться как композиционный припой 4 или многослойная фольга 11 припоя в виде фасонки 12 припоя, чтобы в бессвинцовом процессе низкотемпературной пайки действовать между металлическими поверхностями/поверхностными слоями 3 в качестве диффузионного припоя и соединять соседние элементы 2 между собой так, чтобы температура повторного расплавления была выше 400°С.
Фасонки 12 припоя посредством вырезания или высекания или же высекания и сгибания из фольги 1 припоя приводятся в нужную геометрическую форму и могут, тем самым, универсально использоваться во многих распространенных процессах низкотемпературной пайки, которые только за счет использования распределенных частиц 6 композиционного припоя 4 (композитный материал) становятся процессами диффузионной пайки. Таким образом, температура повторного расплавления зон спая существенно повышается по сравнению с паяными традиционно легкоплавким припоем элементами. При применении компонента легкоплавкий припой олова и меди в качестве тугоплавкого металлического компонента могут использоваться паяные с помощью фасонок 12 композиционного припоя 4 элементы 2 в диапазоне рабочих температур до 400°С, причем требуемое в силовой электронике температурное постоянство свойств объединяется с необходимыми надежностью и рентабельностью.
Отличием является также то, что металлическая проводящая лента 13, служащая в соединяемом изделии 14 в качестве электрического проводника, в местах 15 соединения с бессвинцовой фольгой 1 припоя как в выполнении в виде композиционного припоя 4, так и в выполнении в виде многослойной фольги 11 припоя частично покрыта, с тем чтобы после процесса низкотемпературной пайки частично покрытая проводящая полоска 13 соединяла соседние элементы 2 так, чтобы после процесса низкотемпературной пайки зона спая 16 между покрытой проводящей полоской 13 и соединяемыми ею элементами 2 имела температуру повторного расплавления выше 400°С.
При этом предложенная для диффузионной пайки бессвинцовая фольга 1 припоя наносится с одной стороны путем частичного плакирования на электрически хорошо проводящий материал, например медь или алюминий. Из этого частично плакированного материала могут затем изготавливаться проводящие полоски 13, которое, например вместо распространенного гибкого металлического проводника, используются для построения силовых модулей.
Предложенная для диффузионной пайки бессвинцовая фольга 1 припоя изготавливается, как описано ниже, посредством вальцовочного плакирования.
В соответствии с предусмотренным/намеченным процентным составом компонент легкоплавкий припой и металлический компонент соединяются посредством вальцовочного плакирования попеременно в многослойную композицию, причем металлический компонент плакируется с обеих сторон компонентом легкоплавкий припой.
Плакирование начинается с того, что используемые толщины слоев компонентов находятся, в целом, в таком соотношении между собой, что в последующем процессе пайки доля легкоплавкого припоя, согласно изобретению, полностью вводится в интерметаллическую фазу.
Затем осуществляются другие этапы вальцовочного плакирования, на которых соответственно плакированный материал плакируется самим собой, так что увеличивается число слоев в материале, толщина которых, однако, одновременно уменьшается. Число необходимых этапов плакирования вплоть до готового композиционного припоя 4 зависит от выбранной комбинации материалов из компонента легкоплавкий припой и металлического компонента и нужной общей толщины фасонок припоя. За счет многократного плакирования многослойной композиции происходит перемешивание отдельных компонентов в твердом состоянии таким образом, что в результате разрыва слоев одного из обоих компонентов его обломки диспергируются в другом, более мягком компоненте.
Образовавшаяся структура с предложенными расстояниями между частицами меньше или равными 10 мкм обеспечивает достигаемые, согласно изобретению, короткие пути диффузии, которые в последующем бессвинцовом процессе низкотемпературной пайки в сочетании с другими, поясняемыми ниже признаками изготовленной, согласно изобретению, фольги припоя в короткое время приводят к полному превращению компонента легкоплавкий припой в интерметаллическую фазу, в результате чего образуется компактная, свободная от пор тугоплавкая зона спая.
Достигаемые, согласно изобретению, короткие пути диффузии в сочетании с другими, поясняемыми ниже преимуществами/признаками предложенной фольги припоя обеспечивают даже возможность применения распространенных профилей низкотемпературной пайки с характерной для них короткой продолжительностью.
Согласно изобретению, интерметаллические фазы 9 образуются при этом из легкоплавкого компонента легкоплавкий припой и тугоплавкого металлического компонента/компонента тугоплавкий припой, которые расходуются в соответствующих их стехиометрической формуле массовых долях. Компоненты выбираются/выбраны так, чтобы точка плавления их интерметаллической фазы лежала между точками плавления обоих используемых компонентов.
Температура плавления компонента легкоплавкий припой при применении олова в качестве основы лежит в диапазоне до 240°С, тогда как температура плавления интерметаллических фаз 9 при применении меди в качестве тугоплавкого металлического компонента лежит выше 400°С.
Возникший в результате многократных процессов формообразования композиционный припой 4 может, при необходимости, также на дополнительных этапах плакирования наноситься на тугоплавкий металлический материал основы, благодаря чему чередуются слои композиционного припоя 4 и металлических промежуточных слоев 23 со специальными нужными механическими свойствами, в результате чего образуется многослойная фольга 11 припоя, причем, однако, компонент легкоплавкий припой в качестве внешнего покровного слоя 10 всегда образует оба внешних слоя.
Такая многослойная фольга 11 припоя может тогда, например с соответствующим коэффициентом теплового расширения, воспринимать введенные за счет пайки, как и возникающие во время использования элементов термические напряжения.
Толщина фольги 1 припоя в выполнении в виде композиционного припоя 4 регулируется при этом исходными толщинами обоих компонентов, числом этапов плакирования и замыкающими этапами вальцевания всегда до точной толщины фольги 1 припоя или изготавливаемых из нее фасонок 12 припоя.
Также толщина фольги 1 припоя в выполнении в виде многослойной фольги 11 припоя регулируется исходными толщинами металлического промежуточного слоя и слоев с композиционным припоем 4, числом этапов плакирования и замыкающими этапами вальцевания до соответственно нужного точного размера фольги 1 припоя или изготавливаемых из нее фасонок 12 припоя. Согласно изобретению, тугоплавкий металлический компонент/компонент тугоплавкий припой с расстояниями между частицами меньше или равными 10 мкм диспергирован в компоненте легкоплавкий припой.
Внешние слои бессвинцовой фольги припоя, как уже сказано, образуются всегда компонентом легкоплавкий припой.
Изготовление бессвинцовой фольги припоя в рамках процесса вальцовочного плакирования позволяет к тому же избежать недостатков при вводе частиц в расплав, заключающихся, в частности, в достижении однородного распределения. В процессе перемешивания можно, правда, еще обеспечить однородное распределение, а при застывании – нет.
Так, при литье в окончательную форму однородное распределение частиц больше нельзя обеспечить, т.е. куда «деваются» частицы?
Также при вводе частиц, например в расплав, из-за обязательно требуемых (высоких) температур уже происходит частичная диффузия.
Также эти проблемы, возникающие при вводе частиц в расплав, устраняются за счет находящего применение, согласно изобретению, процесса вальцовочного плакирования, быстрого, эффективного и надежно осуществляемого способа, который протекает при сравнительно низких температурах (т.е. у вальцовочного плакирования речь идет о способе холодной прокатки, при котором вальцы искусственно не нагреваются), так что за счет самого предложенного способа изготовления можно исключить нежелательную диффузию материалов.
Отдельные толщины слоев, как и размер и распределение частиц для последующего полного превращения жидкого припоя в интерметаллические фазы в рамках предложенного процесса диффузионной пайки, точно контролируются, как описано выше, за счет процесса вальцовочного плакирования.
В ходе вальцовочного плакирования можно, согласно изобретению, оптимально создать соединение с материальным замыканием между плакируемыми партнерами.
Таким образом, согласно изобретению, возникает идеальное исходное состояние для процесса диффузии еще перед расплавлением легкоплавкого припоя.
Кроме того, изготовление предложенного композита способом вальцовочного плакирования сравнительно очень недорогое.
Различные материалы соединяются между собой в способе вальцовочного плакирования за один этап, а затем в соответствии с нужным применением в отношении нужных объема и толщины отдельных компонентов «модифицируются», т.е. измельчаются, при этом «покрываются оболочкой» и одновременно, как поясняется ниже, энергетизируются.
Преимущество изготовленного таким образом композиционного припоя, заключается в частности, также в том, что в сочетании с вводом большого количества механической энергии в процессе вальцовочного плакирования заметно улучшается также связывающая способность всех компонентов композиционного припоя, так что в сочетании с другими признаками представленного здесь припоя в рамках процесса диффузионной пайки обеспечивается полное превращение жидкого припоя в интерметаллические фазы в течение очень короткой продолжительности процесса пайки, которая сопоставима с продолжительностью пайки в традиционном процессе пайки.
Ниже предложенное решение более подробно поясняется на примере его осуществления в сочетании с 5 фигурами.
На фиг. 1 изображена схематичная конструкция полупроводникового выключателя. Чип/полупроводниковый модуль 21 припаивается к проводящей дорожке, т.е. металлическому поверхностному слою 3, нанесенному на электроизолирующий слой из керамики DCB (керамическую подложку 20). Его верхняя сторона соединяется с другой, также находящейся на подложке проводящей дорожкой/металлическим поверхностным слоем 3, что реализуется обычно в процессе микросварки с тонкими алюминиевыми или медными проволоками/проводящими полосками 13. Керамическая подложка 20 припаивается к основанию 19, монтируемому на теплостоке/радиаторе 17. Все соединяемые поверхности/поверхностные слои 3 должны быть металлическими, а сами зоны 16 спая должны обеспечивать максимально эффективный поток тепла к теплостоку.
Ниже более подробно поясняется применение фольги 1 припоя в сочетании с процессом соединения (процессом диффузионной пайки) для изготовления полупроводникового выключателя из фиг. 1.
При этом бессвинцовая фольга 1 припоя используется в выполнении в виде композиционного припоя 4, с одной стороны, для получения вывода полупроводникового модуля 21 с проводящей полоской 13, а, с другой стороны, также для припаивания полупроводникового модуля 21 к DCB (керамической подложке 20) в виде фасонки 12 припоя.
На фиг. 2 в разрезе изображено расположение фольги 1 припоя в выполнении в виде композиционного припоя 4 между соединяемыми металлическими поверхностными слоями 3 партнеров по соединению с такими же или иного рода металлическими поверхностями/поверхностными слоями 3. В композиционном припое 4, в котором дисперсно в бессвинцовой матрице 5 оловянного легкоплавкого припоя распределены частицы 6 меди, причем расстояние между частицами меньше или равно 10 мкм, верхний и нижний слои (покрывные слои 10) образованы соответственно легкоплавким припоем 8.
На фиг. 3 схематично изображено расположение из фиг. 2 после процесса пайки. Оловянный легкоплавкий припой 8 полностью превращен в интерметаллические соединения/интерметаллические фазы 9 с точкой плавления выше 400°С, в них дисперсно распределены остатки (оставшийся металл 22) тугоплавких металлических частиц 6 меди. За счет этого вся зона 16 спая плавится только при температурах выше 400°С, а, кроме того, помимо высокой электропроводности обеспечивается очень хорошая теплопроводность.
Ниже бессвинцовая фольга 1 припоя в выполнении в виде многослойной фольги 11 припоя используется для системной пайки, т.е. здесь для достижения паяного соединения между DCB (керамической подложкой 20) и основанием 19.
На фиг. 4 в схематичном разрезе изображено расположение фольги 1 припоя в возможном выполнении в виде многослойной фольги 11 припоя в виде фасонок 12 припоя в ее положении относительно партнеров по соединению, т.е. между соединяемыми одинаковыми или разными металлическими поверхностными слоями 3 соединяемых элементов.
В этой многослойной фольге 11 припоя между тремя слоями композиционного припоя 4 расположены два слоя тугоплавкого металлического компонента 7, например меди (промежуточные слои 23). В композиционном припое 4 дисперсно в бессвинцовой матрице 5 оловянного легкоплавкого припоя распределены частицы 6 меди, причем расстояние между частицами 6 меньше или равно 10 мкм, причем верхний и нижний слои многослойной фольги 11 припоя (покрывные слои 10) также образованы соответственно легкоплавким припоем 8.
На фиг. 5 схематично изображено расположение из фиг. 4 после процесса пайки. В покрывных слоях композиционного припоя 4 оловянный легкоплавкий припой 8 полностью превращен в интерметаллические соединения/интерметаллические фазы 9 с точкой плавления выше 400°С, в них дисперсно распределены также остатки тугоплавких металлических частиц 6 меди.
Между ними, будучи соединенным интерметаллическими фазами 9, находится оставшийся металл 22 промежуточных слоев 23 тугоплавкого металлического компонента 7, например меди, благодаря чему вся зона 16 спая плавится только при температурах выше 400°С, обеспечивая очень хорошую теплопроводность, как и соответствующее тепловое расширение.
Ниже более подробно поясняется процесс пайки для получения изображенных на фиг. 3 и 5 зон 16 спая из бессвинцовой фольги 1 припоя.
Для пайки чипов полупроводниковые модули 21, например кремниевые чипы, карбид-кремниевые чипы или IGBT-модули спаиваются с DCB (керамической подложкой 20). При этом полупроводниковые модули 21 обычно покрываются Ni или Ni(Ag), а DCB (керамическая подложка 20) покрыта поверхностным слоем 3 из меди и часто дополнительно еще Ni. До сих пор для пайки чипов обычно используются свинецсодержащие (с высоким содержанием свинца) паяльные сплавы, поскольку их температура плавления составляет от 290° до 305°С, и такое паяное соединение вследствие обычной в серийном производстве ступенчатой пайки во втором процессе пайки для системной пайки не должно снова плавиться при температурах выше 240°С. Обычно в серийном производстве на первой ступени производится пайка чипов, а на второй ступени – системная пайка бессвинцовым припоем. Поскольку свинецсодержащий (с высоким содержанием свинца) припой имеет более высокую температуру плавления, чем бессвинцовый припой, благодаря этой ступенчатой пайке в описанной последовательности предотвращается расплавление паяного соединения чипа во время системной пайки.
Согласно изобретению, для пайки чипов используется фасонка 12 композиционного припоя 4 с матрицей оловянного легкоплавкого припоя и дисперсно распределенными в ней медными частицами 6, причем композиционный припой 4 имеет соседний с металлическими поверхностными слоями 3 соединяемых элементов 2 внешний покрывной слой 10 из легкоплавкого припоя 8, который, с одной стороны, прилегает к металлическому поверхностному слою 3 чипа/полупроводникового модуля 21, а, с другой стороны, – к металлической поверхности/поверхностным слоям 3 DCB/керамической подложки 20, т.е. вступает в контакт с ними.
По сравнению со способами пайки чипов, осуществляемых свинецсодержащими (с высоким содержанием свинца) припоями, при применении предложенного решения возможна существенно более низкая температура процесса, так что здесь достаточно обычного в процессе бессвинцовой низкотемпературной пайки нагрева до 240°С.
Свинцовый легкоплавкий припой 8 плавится примерно при 220°С, жидкая фаза реагирует с металлическими поверхностями/поверхностным слоем 3 соседних элементов 2 и растворяет в течение 2 мин столько диспергированной меди, что жидкая фаза полностью превращается в твердые интерметаллические фазы 9, т.е. в CuSn3 и Cu6Sn5.
Таким образом, возникает свободная от пор зона 16 спая, температура плавления которой лежит выше 400°С.
Для системной пайки DCB, керамическая подложка 20, которая уже несет чип/полупроводниковый модуль 21, спаивается с основанием 19. При этом основание 19 обычно покрыто поверхностным слоем 3 из Cu, Ni, Ni(P) или Ni(Ag), а DCB (керамическая подложка 20) – поверхностным слоем 3 также из Cu, Ni, Ni(P) или Ni(Ag).
Согласно изобретению, для системной пайки фасонка 12 припоя из многослойной фольги 11 припоя изготавливается в бессвинцовом процессе низкотемпературной пайки. Использование многослойной фольги 11 припоя дает возможность за счет ее многослойного строения повысить механическую гибкость образующейся после процесса пайки зоны 16 спая. В данном примере фасонка 12 припоя состоит из слоев композиционного припоя 4 с матрицей 5 свинцового легкоплавкого припоя и дисперсно распределенными в ней частицами 6 медного металлического компонента 7, причем эти слои чередуются со слоями тугоплавкого металлического компонента 7, например меди, а внешние слои композиционного припоя 4 (покрывные слои 10) состоят только из свинцового легкоплавкого припоя 8. Эти внешние слои композиционного припоя 4 вступают в контакт с металлическими поверхностями/поверхностными слоями 3 подложки 20 и основания 19, т.е. элементов 2.
Свинцовый легкоплавкий припой 8 плавится примерно при 220°С. Жидкий покрывной слой 10 образует с металлизациями подложки 20 и основания 19 интерметаллические фазы 9 CuSn3 и Cu6Sn5.
В то же время внутри многослойной фольги 11 припоя жидкий легкоплавкий припой 8 растворяет в течение 2 мин столько диспергированной меди (частицы 9 металлического компонента 7), что она полностью превращается в твердые интерметаллические фазы CuSn3 и Cu6Sn5. Эти же фазы образуются также на граничной поверхности с промежуточными слоями 23 тугоплавкого металлического компонента 7. Таким образом, в области первоначально расположенной многослойной фольги 11 припоя после процесса пайки возникает свободная от пор зона 16 спая, температура плавления которой лежит выше 400°С и которая за счет оставшихся металлических остаточных слоев 22 имеет соответствующий коэффициент теплового расширения.
В уровне техники верхняя сторона чипов обычно соединяется в процессе ультразвуковой сварки посредством тонких алюминиевых или медных проволок с проводящей дорожкой на подложке. Этот способ соединения может быть заменен посредством предложенной фольги припоя также процессом диффузионной пайки, который протекает аналогично описанным выше процессам пайки.
Согласно изобретению, для контактирования чипа используется проводящая полоска 13 из электрического проводника, например алюминия или меди, на обе соединяемые присоединительные поверхности которого был предварительно нанесен композиционный припой 4 таким образом, что их внешний, состоящий из свинцового легкоплавкого припоя 8 слой контактирует с металлическим поверхностным слоем 3 чипа/полупроводникового модуля 21, с одной стороны, и металлическим поверхностным слоем 3 DCB/подложки. При нагревании до соответствующей температуры бессвинцового процесса низкотемпературной пайки легкоплавкий припой 8 композиционного припоя 4 плавится.
Внутри композиционного припоя 4 жидкий легкоплавкий припой 8 растворяет в течение 2 мин столько диспергированной меди (частицы 9 металлического компонента 7), что она полностью превращается в твердые интерметаллические фазы CuSn3 и Cu6Sn5. На граничной поверхности с металлизациями (металлические поверхностные слои 3) верхней стороны чипа и подложки также образуются интерметаллические фазы CuSn3 и Cu6Sn5. Таким образом, также здесь возникает равноценная зона 16 спая.
Перечень ссылочных позиций
1 – фольга припоя
2 – элементы
3 – поверхностный слой
4 – композиционный припой
5 – матрица легкоплавкого припоя
6 – частицы
7 – металлический компонент
8 – легкоплавкий припой
9 – интерметаллические фазы
10 – покрывной слой
11 – многослойная фольга припоя
12 – фасонка припоя
13 – проводящая полоска
14 – изделие
15 – места соединений
16 – зона спая
17 – радиатор
18 – материалы теплового интерфейса
19 – основание
20 – керамическая подложка (DCB)
21 – полупроводниковый модуль (чип)
22 – остаточный материал (тугоплавкий)
23 – промежуточный слой (тугоплавкий)