一种石墨烯增强泡沫金属预成型片的制备及封装方法与流程

1.本发明涉及电子封装领域，更具体地，涉及一种石墨烯增强泡沫金属预成型片的制备及封装方法。


背景技术：

2.随着功率器件的技术革新，其封装系统正在朝着高度集成化、高功率、高服役温度的方向发展。传统的封装材料以锡基钎料和导电胶为主。锡基钎料的服役温度受制于其熔点，因此对于高度集成化的封装结构，需要搭配不同熔点的焊料来满足多道封装的需求。导电胶存在高温下树脂退化的问题，无法满足功率器件长期服役的可靠性指标。近年来，瞬时液相扩散焊技术被视作新一代的功率器件封装材料。在加热过程中，低熔点焊料(如锡、铟)发生熔化并与高熔点金属(如铜、镍、银)发生冶金反应，生成具有高熔点的金属间化合物。该技术可以具有焊点低温成形、高温服役的特点。然而，金属间化合物具有硬脆的秉性，在服役过程中易受到应变变形而产生开裂，限制了其大规模应用。
3.目前的技术方案为将石墨烯、高熔点金属颗粒、锡基金属颗粒和有机载体均匀混合，制备复合焊膏。以上方案存在石墨烯易团聚的问题，导致其在焊料中分散不均匀，无法获得强化的效果；焊料在焊接过程中，熔化的锡基颗粒流动性强，不能均匀地润湿高熔点金属颗粒，导致焊点组织均匀性差。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术存在的问题，本发明解决了石墨烯在焊料中分散均匀性的问题，增强石墨烯与焊料间的结合强度；优化锡基颗粒在焊点中的分布均匀性，改善焊点的组织均匀性。
5.本发明的目的是提供一种石墨烯增强泡沫金属预成型片的制备及封装方法，旨在提高石墨烯在焊点中的分散均匀性、改善焊点组织结构。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.首先本发明提供了一种石墨烯增强泡沫金属预成型片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.s1：将泡沫金属置于反应腔室，通入碳源气体和还原性气体，加热获得附着石墨烯的泡沫金属；
9.s2：将两片锡基金属箔置于s1所获得的泡沫金属的上下两侧，进行冷压，获得预成型片。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1中的泡沫金属为铜、镍、银、金中的一种，孔洞为通孔结构，孔隙率为10-50％，孔径为1-50μm，泡沫金属厚度为50-200 μm。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷其中的一种，还原性气体为氢气，二者体积比例为1:10-1:5。优选碳源气体为甲烷，还原性气体为氢气，二者体积比优选1:8。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1中加热温度为700-1000℃，加热时间为1-5h。优选加热温度为800℃，优选加热时间为2h。
13.作为本发明的一种优选技术方案，石墨烯附着泡沫金属中的石墨烯质量比约为 5-15wt％。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中锡基金属箔可以为锡、锡银铜合金、锡银合金、锡铜合金、锡铋合金、锡铟合金中的一种，金属箔厚度为10-50μm。
15.作为本发明的一种优选技术方案，冷压条件为室温，压力为20-100mpa。
16.本发明进一步提供了一种石墨烯增强泡沫金属预成型片的封装方法，包括以下步骤：
17.s1：将前述方法制得的预成型片放置于基板上，将被焊接元件表贴于预成型片上形成三明治状焊点；
18.s2：对焊点结构进行热压焊接。
19.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1中基板和被焊接元件的焊盘表面金属为铜、金、银、镍、钯、铂的一种。
20.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中焊接温度为150-280℃，时间为5-30min，焊接压力为0.1-5mpa。
21.本发明相对于现有技术的有益效果包括：
22.本发明采用泡沫金属作为石墨烯生长位点，提高石墨烯分布均匀性；
23.本发明将泡沫金属结构经过冷压作为高熔点金属骨架，两侧锡基金属熔后，将在毛细力作用下均匀填充高熔点金属并加速冶金反应，使得焊点组织结构更加均匀；
24.本发明将石墨烯引入焊点中，改善了生成的金属间化合物的韧性和热导率，提高了焊点可靠性和散热能力。
具体实施方式
25.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于此。
26.实施例1：
27.将(尺寸为100*100*0.5mm3)泡沫铜置于反应腔室，孔隙率为40％，孔径为5μm，泡沫金属厚度为100μm，通入碳源气体甲烷和还原性气体氢气，二者体积比例为1:10，加热获得附着石墨烯的泡沫金属，加热温度为800℃，加热时间为1h；将两片锡银铜合金箔置于所获得的泡沫金属(锡银铜合金为sac305，尺寸为100*100*0.05mm3)的上下两侧，进行冷压(室温，压力为50mpa)，获得预成型片。对预成型片进行裁剪后(裁剪尺寸为10*10mm2，亦可为需要的任何尺寸)进行热压焊接；焊接温度为240℃，时间为5min，焊接压力为0.1mpa。
28.对焊接后的预成型片进行拉伸实验测试，材料的延伸率达到了8％；进行激光热导率测试，材料的热导率为120w/mk。将预成型片应用于三明治焊点进行焊接实验，参数同上，所获焊点的剪切强度为83mpa。
29.对比例1：
30.取泡沫铜，孔隙率为40％，孔径为5μm，泡沫金属厚度为100μm；将两片锡银铜合金箔置于泡沫铜的上下两侧，箔厚度为50μm，进行冷压(室温，压力为50mpa)，获得预成型片。对预成型片进行裁剪后(裁剪尺寸为10*10mm2，亦可为需要的任何尺寸) 进行热压焊接；焊
接温度为240℃，时间为5min，焊接压力为0.1mpa。
31.对焊接后的预成型片进行拉伸实验测试，材料的延伸率仅为1.5％；进行激光热导率测试，材料的热导率为52w/mk。将预成型片应用于三明治焊点进行焊接实验，参数同上，所获焊点的剪切强度为42mpa。
32.实施例2：
33.将泡沫铜(尺寸为50*50*0.4mm3)置于反应腔室，孔隙率为30％，孔径为3μm，泡沫金属厚度为100μm，通入碳源气体甲烷和还原性气体氢气，二者体积比例为1:10，加热获得附着石墨烯的泡沫金属，加热温度为800℃，加热时间2h；将两片锡银铜合金箔置于所获得的泡沫金属(锡银铜合金为sac305，尺寸为100*100*0.03mm3)的上下两侧，进行冷压(室温，压力为80mpa)，获得预成型片。对预成型片进行裁剪后(裁剪尺寸为10*10mm2，亦可为需要的任何尺寸)进行热压焊接；焊接温度为230℃，时间为5min，焊接压力为0.3mpa。
34.对焊接后的预成型片进行拉伸实验测试，材料的延伸率达到了6.5％；进行激光热导率测试，材料的热导率为140w/mk。将预成型片应用于三明治焊点进行焊接实验，参数同上，所获焊点的剪切强度为86mpa。
35.对比例2：
36.取泡沫铜，孔隙率为30％，孔径为3μm，泡沫金属厚度为100μm；将两片锡银铜合金箔置于所获得的泡沫金属的上下两侧，箔厚度为50μm，进行冷压(室温，压力为 80mpa)，获得预成型片。对预成型片进行裁剪后(裁剪尺寸为10*10mm2，亦可为需要的任何尺寸)进行热压焊接；焊接温度为230℃，时间为5min，焊接压力为0.3mpa。
37.对焊接后的预成型片进行拉伸实验测试，材料的延伸率达到了1.2％；进行激光热导率测试，材料的热导率为35w/mk。将预成型片应用于三明治焊点进行焊接实验，参数同上，所获焊点的剪切强度为41mpa。
38.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。