一种互连钎料及其互连成形方法

摘要

本发明提供了一种互连钎料及其互连成形方法，所述互连钎料其所应用的产品的加热工艺温度为T，所述互连钎料包含熔点大于T的组分A、熔点小于T的组分B、熔点大于T的第三相组分C；所述第三相组分C占组分A、组分B、第三相组分C的质量总和的0~30%；其中组分A与组分B之间在所述加热工艺温度下反应形成化合物AxBy；所述组分A与组分B的物质的量之比大于x/y，所述第三相组分C与组分A、组分B均不发生反应，所述第三相组分C的硬度小于组分A、组分B以及化合物AxBy的硬度。本发明的技术方案，在获得高熔点焊接接头的同时，还可通过调节钎料内各组分的比例来调节接头的杨氏模量和热膨胀系数。

权利要求

1.一种互连钎料，其特征在于：其所应用的产品的加热工艺温度为T，所述互连钎料包含熔点大于T的组分A、熔点小于T的组分B、熔点大于T的第三相组分C；所述第三相组分C占组分A、组分B、第三相组分C的质量总和的0 30%且所述第三相组分C不为0；其中组分A与组~分B之间在所述加热工艺温度下反应形成化合物AxBy；所述组分A与组分B的物质的量之比大于x/y，所述第三相组分C与组分A、组分B均不发生反应，所述第三相组分C的硬度小于组分A、组分B以及化合物AxBy的硬度；所述组分B包括Sn，所述组分A为Ni、Ag、Cu、Au中至少一种，所述第三相组分C为 Al、Mg、石墨烯中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的互连钎料，其特征在于：所述化合物AxBy为组分B包围组分A构成的A@B的核壳结构。

3.根据权利要求1所述的互连钎料，其特征在于：所述第三相组分C的表面包覆有Ag、Au或Sn中至少一种。

4.根据权利要求1所述的互连钎料，其特征在于：所述组分A为Ni，所述组分B包括Sn，所述AxBy化合物为Ni3Sn4。

5.根据权利要求1所述的互连钎料，其特征在于：所述组分A为Cu、所述组分B为Sn时，所述AxBy化合物为Cu6Sn5或Cu3Sn；所述组分A为Ag、所述组分B为Sn时，所述AxBy化合物为Ag3Sn；

所述组分A为Au、所述组分B为Sn时，所述AxBy化合物为AuSn4、AuSn2或AuSn。

6.根据权利要求1所述的互连钎料，其特征在于：所述组分A、组分B和组分C为球形、片状或棒状中的至少一种；所述互连钎料还包含助焊剂。

7.一种互连成形方法，其特征在于：其采用如权利要求1 6任意一项所述的互连钎料将~母材一和母材三连接在一起，其包括以下步骤：

步骤S1：对母材一和母材三进行表面处理；

步骤S2：将所述互连钎料作为中间层二放入母材一、母材三之间形成三明治结构，并采用固定构件将所述三明治结构固定；

步骤S3：采用加热装置对固定构件进行加热，通过热传导使中间层二熔化；采用压力调节装置对母材一施加压力保持三明治结构，并在所述加热工艺温度下保温3 60s，然后保持~上述压力下冷却至室温。

8.根据权利要求7所述的互连成形方法，其特征在于：步骤S3中，采用加热装置对固定构件进行加热时，对所述三明治结构施加振动场或超声场。

9.根据权利要求7所述的互连成形方法，其特征在于：所述互连钎料为预压片结构或膏状；所述加热装置可为感应加热装置、微波加热装置或热风加热装置中至少一种；所述母材一和母材三均水平横向放置；所述母材三与固定装置固定连接，所述母材一的外侧与压力调节装置接触。

说明书

一种互连钎料及其互连成形方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种互连钎料及其互连成形方法。

背景技术

[0002] 近年来，SiC、GaN、InP等宽紧带半导体以其优越的电子转换性能而取代Si广泛应用到汽车电子、大功率LED等领域。这些电子器件能够在高于250℃的环境下工作并保持优良的特性。另一方面，微电子芯片键合朝着小型化、高密度、优良的机电性能方向高速发展，使其单位面积的产热量大幅度增加，受材料本身导热性能的限制这些热量无法及时的与外界进行交换，造成芯片的工作温度越来越高。

[0003] 一直以来，由于Sn-Pb共晶合金具有良好的导电性、导热性、抗疲劳稳定性以及较低的价格和表面张力，而被广泛应用于电子封装领域并长期占据主导地位。特别是在航空航天、地质钻探、军事等高精尖领域中的大功率高温模块仍然采用熔点分别为310℃和305℃的Pb-5Sn和Pb-10Sn高铅钎料作为连接材料。为了顺应消费电子无铅化的趋势，满足人们日益增长的科技需求，实现高温电子封装无铅化的研究和应用是近年来世界电子产业面临的紧迫课题，世界各地的相关学者和研究人员为此做出了不懈的努力。

[0004] 在传统芯片贴装的基础上，高温电子封装的方法不断发展，目前已经发展形成以下四中高温连接方法：高温无铅钎料、瞬态液相法、纳米颗粒烧结和固相直接键合等方法。为了取代高熔点的高铅钎料，人们首先展开了高温无铅钎料的研究并取得了一定的成果，其中主要形成了以下几种体系，如：Au基合金、Zn基合金、Sn-Sb等。常用的Au基合金有Au-Sn、Au-Ge和Au-Si等，其中Au-20Sn是最早受到关注的高温钎料，其共晶点与高铅钎料熔点非常相近。虽然Au基合金具有较高的强度、导电导热性能，但Au基合金硬度较高、加工性能较差、容易产生较大的应力，更为重要的是Au的价格十分昂贵，大大增加了原料成本，应用的领域受到了限制。虽然Zn基合金成本较低，但是加工温度较高容易对芯片造成伤害，并且其力学性能、电学性能以及高温度性能均有待提高。虽然Sn-Sb合金对铜表面具有良好的润湿性，但Sn-Sb合金熔点较低（230℃左右），很难应用到二次回流当中，因此对于该合金的研究及应用相对较少。

[0005] 其次，对于纳米颗粒的烧结和固相直接键合来说，在其烧结过程中一般施加一定压力，容易对芯片造成不可修复的损伤。纳米颗粒的制作过程较为复杂、单次产量较低和较高的孔隙率使纳米颗粒的烧结备受挑战，并且其烧结后的组织性能与块状金属相差较大，仍然很难得到业界的认可。固相直接键合作为新兴的键合方法，还未得到广泛的关注，虽然其在制作时采用高的真空环境作保护，只靠热应力的迁移接头内空洞较多无法获得致密优良的接头。

[0006] 瞬态液相法，即通过加热使钎料中间层熔化并与基底发生扩散反应生成高熔点金属化合物的接头，从而具有较强的高温抵抗性。但是，由于化合物的杨氏模量较大与基底和芯片存在较大的热膨胀系数不匹配问题，经过长期的高温热循环，在热应力积累到一定的极限，很容易造成芯片与基底的剥离失效。对于可靠性要求较高的领域，如果其在应用过程中发生开裂，不仅会导致巨大的经济损失，还有可能导致灾难性的后果。

[0007] 此外，传统的瞬态液相法高熔点互联焊点的形成主要依靠高温下的原子扩散，其原子至少要通过二分之一的焊缝尺寸，这就增加了加工过程中的时间消耗。特别的，像Ni原子扩散速度较慢的材料来说，其时间消耗无疑成了致命缺陷。因此，在保证获得高熔点互联焊点的基础上，如何克服并解决瞬态液相法的时间消耗是个难点。除此之外，目前的焊料焊接后焊缝的杨氏模量高问题是当今芯片封装的难点，更是阻碍科技进步工业化进程的重要因素，是目前各国亟待解决的关键难题。

发明内容

[0008] 针对以上技术问题，本发明公开了一种互连钎料及其互连成形方法，采用互连钎料形成的接头实现大气环境下杨氏模量与热膨胀系数的可控，并提供了一种互连成形方法，其辅助快速成型，本发明不仅解决了瞬态液相法耗时长的问题，还可以调节接头的杨氏模量使其避免芯片产热导致的热应力失效。

[0009] 对此，本发明采用的技术方案为：

[0010] 一种互连钎料，其所应用的产品的加热工艺温度为T，所述互连钎料包含熔点大于T的组分A、熔点小于T的组分B、熔点大于T的第三相组分C；所述第三相组分C占组分A、组分B、第三相组分C的质量总和的0 30%；其中组分A与组分B之间在所述加热工艺温度下反应形~成化合物AxBy；所述组分A与组分B的物质的量之比大于x/y，所述第三相组分C与组分A、组分B均不发生反应，所述第三相组分C的硬度小于组分A、组分B以及化合物AxBy的硬度。其中，组分A、组分B为金属颗粒。其中，化合物AxBy中的x和y的取值根据组分A和组分B的特性而定，AxBy在温度T下性能稳定；所述组分A与组分B的物质的量之比大于x/y，即组分A的量足够将组分B的量全部消耗掉，形成化合物AxBy，且组分A的量可以有多余的。这样，使得采用此互连钎料形成的接头为高熔点的接头，从而具有较强的高温抵抗性。优选的，所述第三相组分C为颗粒状，其为熔点大于T的金属或金属化合物。

[0011] 采用此技术方案，改变了现有技术采用合金作为钎料主要成分的做法和技术偏见，采用分开的不同熔点的组分A和组分B，组分A和组分B具有比合金更高的比表面积，可以更好的与被焊接的表面接触，并通过组分A和组分B形成化合物AxBy，减小原子的扩散路径，来解决瞬态液相法时间消耗长的问题。

[0012] 另外，为了降低全化合物接头的杨氏模量解决与芯片和基底的热膨胀匹配问题，可增加互连钎料中组分A的比例，或在互连钎料中进一步添加适量硬度较小不参加反应的第三相组分C。另外，为了获得单一的高熔点化合物接头，可将钎料中组分A、组分B的比例根据其化合物的组成控制在合理的范围内，并取消第三相组分C的加入。

[0013] 本发明的技术方案依据高温功率电子产品的应用环境与问题，通过在钎料中加入金属颗粒组分A减小原子的扩散路径，来解决瞬态液相法时间消耗长的问题。另外，一般的瞬态液相法获得的全化合物接头的组织杨氏模量较高，在长期的热冲击下容易因热应力而开裂，本发明可以通过增加互连钎料中组分A的比例，或在互连钎料中进一步添加适量硬度较小不参加反应的第三相组分C，不仅极大的降低了接头的杨氏模量，杨氏模量降低为原先的15% 40%，还兼具普通接头所具有的熔点高、气密性好、缺陷少、强度高、导电性好等优点，~可在高温、超声等环境下应用，尤其适应于第三代宽紧带半导体封装工艺中。

[0014] 作为本发明的进一步改进，所述组分B包括Sn，所述组分A为Ni、Ag、Cu、Au中至少一种，所述第三相颗粒为 Al、Mg、石墨烯中的至少一种。

[0015] 作为本发明的进一步改进，所述第三相组分C的表面包覆有Ag、Au或Sn中至少一种。采用此技术方案，以使第三相组分C颗粒与Sn等钎料结合良好。

[0016] 作为本发明的进一步改进，所述组分A为Ni，所述组分B包括Sn，所述AxBy化合物为Ni3Sn4。

[0017] 作为本发明的进一步改进，所述组分A为Cu，所述组分B为Sn，所述AxBy化合物为Cu6Sn5或Cu3Sn。

[0018] 作为本发明的进一步改进，所述组分A为Ag，所述组分B为Sn，所述AxBy化合物为Ag3Sn。

[0019] 作为本发明的进一步改进，所述组分A为Au，所述组分B为Sn，所述AxBy化合物为AuSn4、AuSn2或AuSn。

[0020] 作为本发明的进一步改进，所述化合物AxBy为组分B包围组分A构成的A@B的核壳结构。采用此技术方案，钎料中组分A和组分B反应生成的A@B的核壳结构的金属材料减小了原子的扩散路径，解决了瞬态液相法时间消耗长的问题；而且极大的降低了接头的杨氏模量，还兼具普通接头所具有的熔点高、气密性好、缺陷少、强度高、导电性好等优点，可在高温、超声等环境下应用，尤其适应于第三代宽紧带半导体封装工艺中。作为本发明的进一步改进，所述组分A、组分B和组分C为球形、片状或棒状中的至少一种。

[0021] 作为本发明的进一步改进，所述互连钎料还包含助焊剂。

[0022] 本发明还提供了一种互连成形方法，其特征在于：其采用如上所述的互连钎料将母材一和母材三连接在一起。

[0023] 作为本发明的进一步改进，所述互连成形方法包括以下步骤：

[0024] 步骤S1：对母材一和母材三进行表面处理；

[0025] 步骤S2：将所述互连钎料作为中间层二放入母材一、母材三之间形成三明治结构，并采用固定构件将所述三明治结构固定；

[0026] 步骤S3：采用加热装置对固定构件进行加热，通过热传导使中间层二熔化；采用压力调节装置对母材一施加压力保持三明治结构，并在所述加热工艺温度下保温3 60s，然后~保持上述压力下冷却至室温。

[0027] 优选的，上述方法所针对的母材一的芯片材料为Si、SiC、GaN、InP、GaAs等，芯片背面根据需要可进行单金属镀层或多金属镀层处理。其中，所述Si、SiC、GaN、InP、GaAs均为常用的芯片材料。

[0028] 采用此方法得到的接头具有的熔点高、气密性好、缺陷少、强度高、导电性好等优点，实现芯片与基底间的热界面连接或电气连接，具有良好的导电、导热性能，有利于芯片性能的提高；可在高温、超声等环境下应用，尤其适应于第三代宽紧带半导体封装工艺中。

[0029] 作为本发明的进一步改进，步骤S2中，采用加热装置对固定构件进行加热时，对所述三明治结构施加振动场或超声场。采用此技术方案，施加超声场，超声的“空化”和“声流”作用将会进一步增加原子的扩散速度，超声产生的空化泡在被压缩爆破的瞬间会产生局部的高温高压环境，为钎料间的扩散反应提供足够的能量，同时，空化泡的爆破还会产生微束流，将反应生成的化合物从金属表面剥离，促进被露出金属的进一步反应。引入激光场，激光的高能量密度、良好的方向性能够定向的向焊缝中输入大量的能量，加快反应的进程。

[0030] 作为本发明的进一步改进，所述施加振动场或超声场的时间不大于所述加热的时间。

[0031] 作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述对母材一和母材三进行表面处理包括：先对母材一、母材三的连接表面分别进行打磨，然后进行超声清洗。

[0032] 优选的，先对母材一、母材三的连接表面用细砂纸进行轻微打磨去除表面的氧化层及油污杂质。

[0033] 作为本发明的进一步改进，所述加热的温度高于组分B的熔点的10 30℃。采用此~技术方案，防止温度过低造成钎料的未熔化和温度过高对芯片的损伤。

[0034] 作为本发明的进一步改进，所述互连钎料为预压片结构或膏状。采用此技术方案，可以适应不同的工艺条件进行操作。

[0035] 作为本发明的进一步改进，步骤S2中，将所述三明治结构先进行预压，然后采用固定构件将所述三明治结构固定。这样，可以事先根据所需焊缝的大小合理确定压力大小。

[0036] 作为本发明的进一步改进，所述加热装置可为感应加热装置、微波加热装置或热风加热装置中至少一种。

[0037] 作为本发明的进一步改进，所述母材一和母材三均水平横向放置；所述母材三与固定装置固定连接，所述母材一的外侧与压力调节装置接触。采用此技术方案，方便操作，而且焊接的效果好。

[0038] 作为本发明的进一步改进，所述固定构件为夹具，所述夹具的表面设有凹槽，所述凹槽形状与母材三一致，所述凹槽的边界尺寸大于母材三的边界尺寸的0.1 0.2mm，所述凹~槽的深度比母材三的厚度小0.3 0.8mm。采用此技术方案，固定结构具有良好的稳定性。
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[0039] 本发明的技术方案主要采用两种有效措施来加快反应速度、减少时间消耗。首先，若只采用金属混合颗粒组分A和组分B、或组分A和组分B形成核壳金属材料，由于这些钎料使得低熔点组分B与高熔点组分A的距离大大减小，通过调节钎料中高熔点组分A的颗粒的尺寸和含量来确保高熔点组分A的完全消耗，达到高熔点互联焊点的目的。

[0040] 与现有技术相比，本发明有益效果是：

[0041] 第一，采用本发明的互连钎料，依据高温功率电子产品的应用环境与问题，通过在钎料中加入金属颗粒组分A减小原子的扩散路径，解决了现有技术的瞬态液相法时间消耗长的问题；同时能形成高熔点金属化合物的接头，从而具有较强的高温抵抗性。

[0042] 第二，本发明的技术方案可以通过简单有效的方法来解决全化合物接头杨氏模量较高、与基底热膨胀系数不匹配的问题。首先，可以通过改变钎料中高熔点组分A的比例或，调节组分A、组分B的比例从而调节形成核壳金属材料A@B中各金属层的厚度来控制获得的接头是全化合物接头还是化合物与高熔点组分A的混合高温接头。接头中高熔点组分A的存在将在一定程度上降低接头的杨氏模量，提高接头的性能。其次，如果接头中的高熔点组分A仍无法获得理想的杨氏模量接头，可向钎料中添加硬度较小且不参加反应的第三相组分C，如Al、Mg等硬度较小熔点较高的金属，还可向钎料中添加石墨烯来调节接头的热膨胀系数，达到与基底的良好匹配。

[0043] 第三，本发明的技术方案的互连钎料及其互连成形方法可以在大气环境下进行连接，克服了某些钎料高温、高真空的加工环境，简化生产工艺，提高生产效率，降低了生产成本，利于工业化大规模生产，并且制成的钎料膏便于在基板上的印刷，与现有封装工艺兼容性好。

[0044] 第四，本发明的技术方案的互连钎料及其互连成形方法可以实现无压力或低压力下的焊接，避免由于对芯片施加较大压力造成对芯片的损伤，操作简单灵活，不受工件尺寸与形状的限制，同时适应于大尺寸、大面积基底与热沉之间的连接。

[0045] 第五，本发明的技术方案能够通过印刷钎料膏的厚度或片状钎料的厚度来控制焊缝尺寸，达到最佳的焊合效果，获得的接头强度高、密闭性好、润湿性好、焊合率高，特别适应需要长时间真空耐压密封、高服役温度、高强度及恶劣环境的应用场合。

附图说明

[0046] 图1是本发明采用互连钎料对被连接材料进行装配的原理图。

[0047] 图2是本发明互连钎料的微观结构示意图。

[0048] 图3是本发明在加热时形成的核壳结构与第三相颗粒混合的微观结构示意图。

[0049] 图4是本发明的互连成形方法的连接示意图。

[0050] 附图标记为：1-母材一，2-中间层二，3-母材三，4-卡具，5-压力调节装置，21-组分A，22-组分B，23-第三相组分C，24-助焊剂。

具体实施方式

[0051] 下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

[0052] 实施例1

[0053] 参见图1、图2和图4所示，一种大气环境下实现高熔点化合物接头的方法，该连接方法包括以下步骤：

[0054] Ⅰ、对被连接材料进行表面处理：对母材一1和母材三3的连接表面用1200#砂纸砂纸进行轻微打磨去除表面的氧化层及油污杂质，之后浸入无水乙醇溶液进行超声清洗3~5min；

[0055] Ⅱ、将母材三3置于下层，母材一1置于上层及中间层二2在中间过程一种三明治结构，母材一1和母材三3均水平横向放置。上述所用母材一1为芯片，芯片材料为Si、SiC、GaN、InP或GaAs，芯片背面镀层金属为Ni，Ni层厚度为8µm；母材三3为纯Ni基板，厚度为1mm。

[0056] 该步骤所用中间层二2根据芯片背面镀层和基底确定为Sn-27 wt.%Ni混合颗粒钎料，即组分A为Ni，组分B为Sn，其中，组分A的质量占组分A、组分B的质量总和的27%。其中Sn、Ni的粒径分别为40µm和10µm，并添加适量的助焊剂制成膏状涂覆在母材三3的Ni基底上。

[0057] Ⅲ、将组成的三明治结构放置设计的卡具4中进行固定；卡具4设有内槽，所述内槽形状跟母材三3保持一致，长、宽尺寸大于母材三3的长度、宽度的0.1 0.2mm，其深度小于母~材三3厚度0.5mm。

[0058] Ⅳ、利用加热装置对卡具4进行加热，通过热传导使中间层二2达到预定的熔化温度；所用加热装置应配备温度测量和反馈系统，所设定加热温度高于Sn的熔点10 30℃，所~述加热装置可为感应加热、微波加热或热风加热等。

[0059] Ⅴ、利用压力调节装置5对母材一1施加压力保持三明治结构的紧密接触并在预定的温度下保温一定的时间；根据所需焊缝的大小合理确定压力大小，约1MPa；保持上述压力的前提下冷却至室温。如图2所示，中间层二2的组分A 21、组分B 22、第三相组分C 23、助焊剂24均匀分散在体系中。

[0060] 上述互连成形方法在30分钟以内就实现了互连。通过测试，本实施例获得的接头的强度>50MPa，结构的密封性好，服役温度>400℃，焊缝杨氏模量为150 170GPa。采用现有~技术的Sn-Ni合金的钎料，并采用传统的瞬态液相法形成高熔点互联焊点一般需要1小时以上，而且接头的强度小于40MPa。

[0061] 本方法通过在钎料中添加适量的Ni颗粒，能够在很大程度上减小Sn的扩散距离并增加与Ni的接触面积，所述组分A与组分B在高温下形成了Ni3Sn4，极大的降低了生成化合物对金属互扩散的阻碍作用，将消耗时间由几个小时控制在几十分钟以内。此方法操作简单、无需特殊防护、成本较低、接头性能良好，能够适应各种苛刻环境的应用要求。改良后的瞬态液相法，在兼备高熔点与导电性的同时，能够加大的缩短反应时间、提高生产效率，在汽车电子、大功率LED等功率电子中有着极其重要的实际应用前景。

[0062] 实施例2

[0063] 参见附图1、图2和图4所示，一种大气环境下快速实现高熔点化合物与高熔点金属的混合接头连接方法，该连接方法包括以下步骤：

[0064] Ⅰ、被连接材料进行表面处理：对母材一1和母材三3的连接表面用1200#砂纸将其表面打磨并去除表面的油污杂质，之后浸入无水乙醇溶液超声清洗3 5min。~

[0065] Ⅱ、将母材三3置于下层，母材一1置于上层及中间层二2在中间过程一种三明治结构，母材一1和母材三3均水平横向放置。上述所用母材一1为芯片，芯片材料为Si、SiC、GaN、InP或GaAs，芯片背面镀层金属为Ni，Ni层厚度8µm；母材三3为纯Ni基板，厚度为1mm。所用中间层二2根据芯片背面镀层和基底确定采用Sn-30 wt.%Ni混合颗粒钎料，即组分A为Ni，组分B为Sn，其中，组分A的质量占组分A、组分B的质量总和的30%。其中Sn、Ni的颗粒尺寸分别为40µm和10µm，并添加适量的助焊剂制成膏状涂覆在母材三3的Ni基底上。

[0066] Ⅲ、将组成的三明治结构放置设计的卡具4中进行固定；卡具4设有内槽，所述内槽形状跟母材三3保持一致，长、宽尺寸大于母材三3的长度、宽度的0.1 0.2mm，其深度小于母~材三3厚度0.5mm。

[0067] Ⅳ、利用加热装置对卡具4进行加热，通过热传导使中间层二2达到预定的熔化温度；其中，所用加热装置应配备温度测量和反馈系统，所设定加热温度高于Sn的熔点10 30~℃；所述加热装置可为感应加热、微波加热或热风加热等。

[0068] Ⅴ、利用压力调节装置5对母材一1施加压力保持三明治结构的紧密接触并在预定的温度下保温一定的时间；根据所需焊缝的大小合理确定压力大小，约1MPa；保持上述压力的前提下冷却至室温。

[0069] 上述互连成形方法在10-30分钟以内就实现了互连。通过测试，本实施例获得的接头的强度>50MPa，结构的密封性好，服役温度>400℃，焊缝杨氏模量为60GPa。而采用现有技术的方法，钎料为Ni+Sn混合的钎料膏得到焊缝的杨氏模量为150GPa，而且接头的强度小于40MPa。由此可见，焊缝杨氏模量大大降低，接头的强度得到提高。

[0070] 本方法通过在钎料中添加适量是Ni颗粒，能够在很大程度上减小Sn的扩散距离并增加与Ni的接触面积，极大的降低了生成化合物对金属互扩散的阻碍作用，将消耗时间由几个小时控制几十分钟以内（本案为10-30分钟）。此外，增大钎料中Ni的含量，使其在与Sn完全反应的同时并有一定的残余，达到降低焊缝杨氏模量的目的，杨氏模量由150GPa降低到60GPa。本例的互连成形方法得到的接头在兼备高熔点与导电性的同时，还可在一定程度上控制焊缝的杨氏模量，在汽车电子、大功率LED等功率电子中有着极其重要的实际应用前景。

[0071] 实施例3

[0072] 参见图1和图4所示，一种大气环境下快速实现高熔点化合物、高熔点金属与第三相金属混合组织接头的连接方法，该连接方法包括以下步骤：

[0073] Ⅰ、被连接材料进行表面处理：对母材一1和母材三3的连接表面用1200#砂纸将其表面打磨并去除表面的油污杂质，之后浸入无水乙醇溶液超声清洗3 5min。~

[0074] Ⅱ、将母材三3置于下层，母材一1置于上层及中间层二2在中间过程一种三明治结构，母材一1和母材三3均水平横向放置。上述所用母材一1为芯片，芯片材料为Si、SiC、GaN、InP或GaAs，芯片背面镀层金属为Ni，Ni层的厚度8µm；母材三3为纯Ni基板，厚度为1mm。

[0075] 其中，所用中间层二2根据芯片背面镀层和基底确定为Sn-20 wt.%Ni-10 wt.%Al混合颗粒钎料，即组分A为Ni，组分B为Sn，第三相颗粒组分C为Al，其中，组分A、组分B、第三相颗粒组分C的质量分别占组分A、组分B、第三相颗粒组分C的质量总和的百分比分别为20%、70%、10%。其中Sn、Ni、Al的粒径分别为40µm、10µm、20µm，并添加适量的助焊剂制成膏状涂覆在母材三3的Ni基底上。

[0076] Ⅲ、将组成的三明治结构放置设计的卡具4中进行固定；卡具4设有内槽，所述内槽形状跟母材三3保持一致，长、宽尺寸大于母材三3的长度、宽度的0.1 0.2mm，其深度小于母~材三3厚度0.5mm。

[0077] Ⅳ、利用加热装置对卡具4进行加热，通过热传导使中间层二2达到预定的熔化温度；其中，所用加热装置应配备温度测量和反馈系统，所设定加热温度高于Sn的熔点10 30~℃；所述加热装置可为感应加热、微波加热或热风加热等。

[0078] Ⅴ、利用压力调节装置5对母材一1施加压力保持三明治结构的紧密接触并在预定的温度250℃下保温一小时以内；根据所需焊缝的大小合理确定压力大小，约1MPa；保持上述压力的前提下冷却至室温。

[0079] 上述互连成形方法在一小时内就实现了互连。加热时形成的核壳结构与第三相颗粒混合的微观结构示意图如图3所示。如图3所示，在加热过程中，中间层二2的组分A 21、组分B 22形成核壳结构，第三相组分C 23位于核壳结构之间空隙，助焊剂24分散在其中。

[0080] 通过测试，本实施例获得的接头的强度>50MPa，结构的密封性好，服役温度>400℃，焊缝杨氏模量为20GPa。而采用现有技术的方法，钎料为Ni+Sn混合的钎料膏的得到的焊缝的杨氏模量为150GPa，而且接头的强度小于40MPa。由此可见，焊缝杨氏模量大大降低。

[0081] 本方法通过在钎料中添加适量是Ni颗粒，能够在很大程度上减小Sn的扩散距离并增加与Ni的接触面积，极大的降低了生成化合物对金属互扩散的阻碍作用，将消耗时间由数小时控制住一小时以内。增大钎料中Ni的含量，使其在与Sn完全反应的同时并有一定的残余，达到降低焊缝杨氏模量的目的。更重要的是，加入的Al颗粒不与钎料中的Sn发生反应而保留在焊缝内部，在不影响熔点的情况下极大的降低了接头组织的杨氏模量，降低到20GPa，达到芯片与基底的良好匹配。本例的互连成形方法得到的接头在兼备高熔点与导电性的同时，还可在一定程度上控制焊缝的杨氏模量，在汽车电子、大功率LED等功率电子中有着极其重要的实际应用前景。

[0082] 实施例4

[0083] 参见附图1、图2和图4所示，一种大气环境下快速实现高熔点化合物接头的连接方法，该连接方法包括以下步骤：

[0084] Ⅰ、被连接材料进行表面处理：对母材一1和母材三3的连接表面用1200#砂纸将其表面打磨并去除表面的油污杂质，之后浸入无水乙醇溶液超声清洗3 5min。~

[0085] Ⅱ、将母材三3置于下层，母材一1置于上层及中间层二2在中间过程一种三明治结构，母材一1和母材三3均水平横向放置。上述所用母材一1为芯片，芯片材料为Si、SiC、GaN、InP或GaAs，芯片背面镀层金属为Ni，Ni层的厚度为8µm；母材三3为纯Ni基板，厚度为1mm。

[0086] 其中，所用中间层二2根据芯片背面镀层和基底确定为Sn-24 wt.%Ni混合颗粒钎料，即组分A为Ni，组分B为Sn其中，组分A占组分A、组分B的质量总和的百分比分别为24%。其中Sn、Ni的粒径分别为40µm和10µm，并添加适量的助焊剂制成膏状涂覆在母材三3的Ni基底上。

[0087] Ⅲ、将组成的三明治结构放置设计的卡具4中进行固定；卡具4设有内槽，所述内槽形状跟母材三3保持一致，长、宽尺寸大于母材三3的长度、宽度的0.1 0.2mm，其深度小于母~材三3厚度0.5mm。

[0088] Ⅳ、利用加热装置对卡具4进行加热，通过热传导使中间层二2达到预定的熔化温度；其中，所用加热装置应配备温度测量和反馈系统，所设定加热温度高于Sn的熔点10 30~℃；所述加热装置可为感应加热、微波加热或热风加热等。

[0089] Ⅴ、利用压力调节装置5对母材一1施加一定的压力保持三明治结构的紧密接触并利用超声发生装置对焊缝辅助焊接2 20s。根据所需焊缝的大小合理确定压力大小，约~1MPa。

[0090] Ⅵ、超声施加完成后，将超声发生装置车去并停止加热，使其缓慢冷却至室温。

[0091] 上述步骤Ⅴ在回流过程中，采用超声发生装置对母材三3进行作用，不对母材一1产生任何压力，超声施加完成后冷却。

[0092] 上述互连成形方法在十秒内就实现了互连。通过测试，本实施例获得的接头的强度60MPa，接头结构的密封性好，服役温度>400℃，焊缝杨氏模量为150 170GPa。采用现有技~术的Sn-Ni合金的钎料，并采用传统的瞬态液相法形成高熔点互联焊点一般需要1小时以上，而且接头的强度小于40MPa。本方法能在超声波的辅助作用下，在芯片-基底结构中，通过材料设计可以减小原子的扩散距离、加快反应速度，还通过超声的“空化”和“声流”作用，使Sn与Ni反应生成的化合物从Ni表面剥离，加速金属间化合物的形成，能够在数十秒的时间内生成高熔点全化合物或化合物与残余Ni组成的高熔点接头。所获接头具有高强度（40~
60MPa）、高密封性、宽服役温度、高稳定性、高导电性等特性。与传统的瞬态液相法数小时的时间相比，本方法可以在数十秒内完成，并且生成的焊接接头具有较高的剪切强度与导电性能，满足第三代宽紧带半导体的应用要求。

[0093] 实施例5

[0094] 互连钎料的组分A为Cu，组分B为Sn，第三相颗粒组分C为Mg，其中，第三相颗粒组分C的质量占组分A、组分B、第三相颗粒组分C的质量总和的百分比为10%。其中，所述组分A的量足够将组分B的量全部消耗掉，形成化合物Cu6Sn5。

[0095] 其他方法步骤同实施例1。

[0096] 采用上述互连成形方法在五十分钟时间就实现了互连。通过测试，本实施例获得的接头的强度40MPa，接头结构的密封性好，服役温度>400℃，焊缝杨氏模量为25GPa。采用现有技术的方法和钎料得到的焊缝杨氏模量为150GPa，由此可见，焊缝杨氏模量大大降低。

[0097] 实施例6

[0098] 互连钎料的组分A为Au，组分B为Sn，第三相颗粒组分C为石墨烯，其中，第三相颗粒组分C的质量分别占组分A、组分B、第三相颗粒组分C的质量总和的百分比为30%。其中，所述组分A的量足够将组分B的量全部消耗掉，形成化合物AuSn4、AuSn2或AuSn。

[0099] 其他方法步骤同实施例4。

[0100] 采用上述互连成形方法在40分钟时间就实现了互连。通过测试，本实施例获得的接头的强度35MPa，接头结构的密封性好，服役温度>400℃，焊缝杨氏模量为20GPa。采用现有技术的方法和钎料得到的焊缝杨氏模量为150GPa，由此可见，焊缝杨氏模量大大降低。

[0101] 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。