专利名称：金锡钎料的制造方法
技术领域：
本发明涉及金基钎料的制造方法，特别涉及具有高塑性、低熔点的金锡复合钎料的制造方法。
AuSn20-22合金钎料(含Sn20～22%，余量为Au)是大功率、高可靠、高技术领域用半导体器件用的低熔点金基钎料。AuSn20-22成分合金极脆，无法用常规加工成形方法制备成箔材。在现有技术中，用铸造方法制备所需规格的箔材环状圈料，制造成本高，成品率低，不能适应多规格、大批量生产应用需要。日本专利申请特开平2-15897公开了一种金锡钎料及其制造方法。它是用热挤压方法来制备AuSn合金丝材，其存在的问题仍是所生产出来的丝材呈脆性。美国专利US3181935公开了一种低熔点材料及其制造方法，它也是涉及一种用于钎焊的低熔点金锡(特别是AuSn20)复合材料及其制造方法。该方法的特征是复合材料由金组元和锡组元组成，二者均呈带状或块状、条状、其重量组成比Au∶Sn＝80∶20(即金-锡共晶成份)。其中锡组元至少为两层，金组元至少为一层，且锡组元包在金组元的两面上，即基本上呈Sn/Au/Sn……结构形式。该专利还提到，为了增加该二组元的抗张强度，还在金组元中添加金重量3%以下的锡，在锡组元中添加锡重量10%以下的金或锑或铟。二组元相间层叠后在轧机上冷轧到所需规格的箔材(0.005吋及以下的厚度)。其典型的制造方法是5层复合钎料。即先用两层锡带夹一层较锡带厚得多的金带。冷轧过程中由于Sn层和Au层变形抗力不同，Sn层变形量大，轧到一定厚度后Sn层比Au层变得更长。于是要将长出金层的锡层部分截去，因此锡含量减少了。为保证最终产品达到AuSn20的成分，所以又在两锡层的外面各再增加一薄层锡层，增加的锡层重量等于或稍大于截去部分的锡层的重量。然后再冷轧到所需规格的箔材，并再次截去比金层长出部分的锡层。显然，这种加工方法显得很复杂，工序增多，且难于准确地控制钎料的成分。而且，这种方法将锡层放在外表面，在加温钎焊时，锡可能先流失，或先与待焊器件的镀金层上的金发生共晶反应，不仅使母材表面镀金层受到严重浸蚀，而且中间的金层由于缺乏足够的Sn而不能发生共晶反应，在钎焊温度下熔化不了，从而导致严重的钎料成分偏析，影响钎接头质量。
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提出一种新的制造高塑性、低熔点AuSn复合钎料箔材的方法，用这种方法生产的AuSn钎料箔材可用一般冲模冲制成所需形状和规格的焊片，适于在氮气、氢气或真空条件下在280～320℃温度范围内，通过Au和Sn在280℃发生共晶反应生成均匀的AuSn合金，润湿镀金可伐母材及其他镀金构件，并形成成分均匀的、牢固致密的钎接头。
本发明的技术方案是采用同现有技术不同的结构形式，通过多层复合技术来制备AuSn复合钎料箔材。
本发明的特征是，所说的AuSn复合钎料箔材的制造方法包括下列工序1、按设计成分(Sn18～23wt%，余量为Au)将金和锡分别预先冷轧成所需厚度的带材;
2、在400℃对金带退火30分钟;
3、将金带和锡带剪切成相同面积的料坯;
4、对金带和锡带各复合面进行表面粗化处理，其方法是用细钢丝刷或0～1号砂布打磨复合时待接触的带材表面;
5、表面清洁处理，表面粗化后的带材用乙醇或丙酮等有机溶剂清洗其表面;
6、将表面清洁后的金带和锡带彼此相间层叠在一起，其中至少有3层金带，至少2层锡带，且金带包在锡带的两面，由上往下数的第一层和由下往上数的第一层其厚度应相同，由上往下的第二层和由下往上的第二层其厚度也相同，其余各层依此类推，叠层件中全部锡层的总厚度对全部金层的总厚度之比值K＝0.58～0.79(此与钎料中锡含量18～23%相对应)，在350～800MPa压力下保压5～8分钟，将叠层件预压结成复合坯料;
7、将工序6所得复合坯料在轧机上冷轧至所需规格的箔材。
也可以按上述方法先制备两块层数在15层以下的复合坯料，预冷轧到所需厚度，经200℃真空或中性气氛下退火3小时及表面粗化、清洗后再叠放在一起，经再次预压结后再冷轧到所需规格的箔材。或者在上述两块复合坯料中间再夹一层锡层，然后按上述相同的方法处理，最后冷轧成所需规格的箔材，但需保证K＝0.58～0.79。
优先推荐的AuSn复合钎料箔材的总层数为5～30层，厚度为0.05～0.50mm。
同现有技术相比，本发明有以下优点1、本发明的复合钎料最外层是Au层，这就避免了现有技术中Sn在最外层时易于产生的一些缺点，即由于Sn在最外层会产生先流失或优先氧化，从而导致内层的Au由于Sn量不足产生钎料成分偏析，致使钎料流散性不佳，严重影响钎焊质量，本发明的Au/Sn/Au……的结构形式能可靠地保证钎料在钎焊温度下发生共晶反应，得到成分均匀，致密的钎接头。
2、本发明方法简单，易于实施，金或锡组元在钎料中的重量比易于控制在误差±0.5%范围以内。方法成品率高，生产效率高，适合工业批量生产。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本方法的一个实施例示意图，是5层复合的AuSn钎料。
图2是本方法的第二个实例，是7层复合的AuSn钎料。
图3是本发明的第三个实施例，是10层复合的AuSn钎料。
图4是本发明的第4个实施例，是11层复合的AuSn钎料。
图5是本发明的第5个实施例，是14层复合的钎料。
实施例1将纯度≥99.9%的金和锡分别轧成所需厚度的带材。金带经400℃退火30分钟。将金带和锡带剪切成相同面积，随后将所有复合面用细钢丝刷刷毛，进行表面粗化处理，然后用丙酮除油，并用乙醇清洗，干燥后按照图1所示方式叠放在一起，共5层，其中(1)为厚度0.2mm的金带，(2)为厚度0.25mm的锡带，(3)为厚度为0.4mm的金带，K＝0.63。叠层件在600MPa压力下进行压结，保持5分钟，形成复合坯料。然后将坯料冷轧成0.10mm的箔材(6)。所制得的AuSn钎料的含锡量为19.0±0.5wt%。
实施例2按实施例1的方法先制备好待复合的金带和锡带，用0号砂布打磨带材待复合的表面，用乙醇清洗后按照图2所示方式叠放在一起，共7层。其中(4)为厚度0.1mm的金带，(5)为厚度0.1mm的锡带，K＝0.75。叠层件在650MPa压力下保压5分钟，预压结成复合坯料。在轧机上将复合坯料冷轧成厚0.05mm的箔材(7)，其含锡量为22.1±0.5wt%。
实施例3按实施例1的方法先制备好两块5层的复合坯料(6)，预冷轧到0.5mm后进行真空退火处理，退火条件为真空度10Pa，温度200℃，保温3小时。然后将两块复合坯料(6)的待复合面用1号砂布打磨，用丙酮清洗、干燥后，按图3所示方式叠放在一起，共10层。叠层件在700MPa压力下保持5分钟，预压结成复合坯料，再冷轧成0.1mm的箔材(8)，其K值和含锡量基本上与实施例1的钎料相同。
实施例4基本上与实施例3的方法相同，只是在两块复合坯料(6)的中间再夹一层0.5mm的锡带(9)，如图4所示，其余处理方法与实施例3相同。所得的AuSn钎料箔材(10)共11层，其含锡为22.2±0.5wt%。
实施例5按实施例2的方法先制备出两块7层的复合坯料(7)，预冷轧到0.5mm厚，然后按实施例3的方法退火、粗化处理、清洗，再叠放在一起，如图(5)所示，在700MPa压力下保持5分钟。之后在轧机上冷轧成0.2mm的箔材。由此制成14层的AuSn钎料箔材(11)，其含锡量基本上与实施例2相同。
将按实施例1-5的方法制备的5-14层厚度0.05～0.2mm的AuSn复合钎料箔材在通用模具上冲制成内径2～5mm，外径4～7mm的环形和边宽为1mm的长方形和方形框状焊料片，置于镀金可伐母材上，在N2或H2气氛下或真空条件下，在240～320℃温度下保持30～60秒，钎料片即很快熔化，形成均匀的AuSn合金，且具有极佳的流散性和间隙填充性。
权利要求
1.一种金锡钎料的制造方法，包括采用多层复合技术，所说的金锡钎料中锡含量为18～23wt%，余量为金，其特征是所说的方法有下列工序1.1按设计或分将金和锡分别预先冷轧成所需厚度的带材；1.2在400℃对金带退火30分钟；1.3将金带和锡带剪切成相同面积的料坯；1.4对金带和锡带各复合面进行表面粗化处理，其方法是用细钢丝刷或0～1号砂布打磨复合时待接触的带材表面；1.5表面清洁处理，表面粗化后的带材用乙醇或丙酮等有机溶剂清洗其表面；1.6将表面清洁后的金带和锡带彼此相间层叠在一起，其中至少有3层金带，至少2层锡带，且金带包在锡带的两面，由上往下数的第一层和由下往上数的第一层其厚度相同，由上往下的第二层和由下往上的第二层其厚度相同，其余各层依此类推，叠层件中全部锡层的总厚度对全部金层的总厚度之比值K=0.58～0.79(此与钎料中锡含量18～23%相对应)，在350～800MPa压力下保压5～8分钟，将叠层件预压结成复合坯料；1.7将工序1.6所得复合坯料在轧机上冷轧至所需规格的箔材。
2.如权利要求1的方法，其特征是可将按权利要求1的方法制备的两块层数在15层以下的复合坯料预冷轧到所需厚度，经200℃真空或中性气氛下退火3小时及表面粗化，清洗后再叠放在一起，经再次预压结，再冷轧到所需规格的箔材。
3.如权利要求2的方法，其特征是可在所说的两块复合坯料之间夹一层锡带，再按权利要求2的方法冷轧成所需规格的箔材，但需保证K＝0.58～0.79。
4.如权利要求1～3的方法，其特征是所说的金锡复合钎料箔材的总层数为5～30层，厚度为0.05～0.50mm。
全文摘要
一种大功率、高技术领域用半导体器件用的金锡焊料(含Sn18～23％，余量为Au)的制造方法，其特征是采用多层复合技术将分别预处理过的、轧至一定厚度的金带和锡带按照Au/Sn/Au……/Sn/Au的方式彼此相间层叠在一起(至少5层)，预压结成复合坯料，再冷轧成所需规格的箔材。本发明方法能可靠地保证焊料在钎焊温度下发生共晶反应，得到成分均匀、致密的钎接头。本方法简单，易于实施，所制成的焊料箔能用普通模具冲制成各种形状规格的焊片，成品率高，适合于工业批量生产。
文档编号B23K35/40GK1066411SQ9210264
公开日1992年11月25日 申请日期1992年4月9日 优先权日1992年4月9日
发明者刘泽光, 杨富陶, 顾开源 申请人:中国有色金属工业总公司昆明贵金属研究所