CN107175433A - 一种低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法 - Google Patents

一种低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法 Download PDF

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杨呈祥
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Abstract

本发明涉及一种低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法，按照锡粉末和助焊剂质量比为9:1配置原料为Sn元素的粉末和松香助焊剂，通过搅拌完成微米锡膏；按照银质量分数为90‑99％，锡质量分数为1‑10％；称量纳米银焊膏和微米锡膏加入松油醇溶解，先利用螺旋振荡器进行机械振荡,然后用超声清洗器进行超声振荡，得到混合物；将混合物在70℃恒温水浴挥发，直至成膏状。锡掺杂纳米银焊膏烧结过程中不加压力，不需要惰性气体保护，最高烧结温度为235℃。本发明的方法发明工艺程序严密，实施严谨；烧结温度低于传统银焊膏，与单纯的纳米银焊膏相比，相同的烧结工艺下，烧结后连接强度增高一倍。

Description

一种低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法
技术领域
本发明涉及电子封装制备领域，具体涉及一种低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法。
背景技术
纳米银焊膏由于能够实现低温烧结，且烧结完成后为单质银层多孔材料，具有优良的热学、电学、力学性能和可靠性，以及可以应用于高温环境，而成为一种高功率器件的芯片级连接材料。但是，和普通的合金焊料相比，纳米银焊膏烧结温度(280℃)过高，并不适用于工业应用，而且市面上很多的印刷电路板等电子材料在封装过程中承受不了太高的烧结温度，所以降低纳米银焊膏的烧结温度非常迫切。
目前，降低纳米银烧结温度的方法主要有两种，一种是在纳米银焊膏的烧结过程中施加一定的压力，但是这种方法很有可能会造成电子器件的损坏，增加工艺的复杂性；另一种方法是减少纳米银粒子的粒径，但是这种方法会增加操作成本。就100nm粒径的纳米银焊膏来说，低温下烧结时(烧结过程中不施加压力)不能形成致密体，所以强度并不是很高。按照细晶强化的理论，如果添加细小的SiC粒子，使其在烧结过程中为纳米银粒子提供形核核心细化晶粒可以提高基体强度，但是SiC和纳米银的结合性能并不是很好，而且SiC导电性能不好，容易在器件的使用过程中提供失效的来源。
液相烧结技术的出现，给我们提供了另一种低温下提高强度的思路。通过液相烧结的理论，我们将银和锡混合，当烧结温度达到锡熔点时，低熔点的锡熔化，此时，液相锡和固态银的相互扩散加快，液态的锡扩散进入银的基体中，产生毛细作用力，发生银原子重排和致密化。等温凝固过程后，银锡间相互扩散形成稳定的Ag3Sn金属间化合物。最终得到烧结银基体和弥散分布的Ag3Sn金属间化合物。这个过程中，由于发生了细晶强化，固溶强化以及形成了第二相粒子，会提高银基体的连接强度。
由于银锡颗粒包覆着有机溶剂，需要在不同的温度保温将有机溶剂挥发以让二者进行有效的扩散，形成理想的烧结结构。所以我们制定了合适的烧结工艺对其进行烧结。
发明内容
为了降低纳米银焊膏的烧结温度，基于瞬态液相烧结理论，以纳米银为基体，微米锡为掺杂金属，利用物理方法制备了锡掺杂纳米银焊膏(TDSP)，从而使焊膏的烧结温度进一步降低至235℃，图1为TDSP未烧结宏观形貌。TDSP的烧结是一个由固态扩散转变为固液扩散的过程，扩散过程中由于液相的出现，加快了粒子的迁移速率，烧结也更为致密，其过程如图2中A、B两元素瞬态液相烧结过程所示。通过对235℃下烧结的6×6mm2硅基芯片接头进行剪切测试，发现当纳米银焊膏中的锡掺杂量达到4wt.％时，烧结TDSP接头连接强度可达到23MPa。通过对烧结TDSP的微观分析，发现随着掺杂的锡的含量的增多，银基体XRD峰向右偏移，如图3所示，Ag3Sn金属间化合物的相对含量增多，不断起到第二相强化的作用,图4为TDSP烧结后微观形貌。此外，通过如图5(a)所示的TEM检测和图5(b)和(c)所示的EDS Ag元素面扫描和Sn元素面扫描检测得到的固溶体也进一步验证了烧结接头的固溶强化机制对连接强度的提高也起到了重要的作用。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法，步骤如下:
1)配置锡膏:按照锡粉末和助焊剂质量比为9:1配置原料为Sn元素的粉末和松香助焊剂，通过搅拌完成微米锡膏；
2)按照银质量分数为90-99％，锡质量分数为1-10％；称量纳米银焊膏和微米锡膏加入松油醇溶解，先利用螺旋振荡器进行机械振荡,然后用超声清洗器进行超声振荡，得到混合物；
3)将混合物在70℃恒温水浴挥发，直至成膏状。
所述步骤1)机械搅拌机搅拌1-2小时，搅拌机转速为1000-2000rpm/min。
所述步骤2)中螺旋振荡器进行机械振荡时间为25-35min；超声清洗器进行超声振荡时间为55-65min，振荡功率为100-200W。
所述松香助焊剂配方松香粉末：异丁醇：松油醇为0.5g：1ml：0.5ml。
锡掺杂纳米银焊膏低温烧结方法:升温速率为5-10℃/min，室温升高到50-70℃保温10-20min，继续升温到180-220℃保温20-60min，升温至烧结温度235℃保温30min，之后自然冷却，烧结过程中不加压力，不需要惰性气体保护，最高烧结温度为235℃。
本发明的优点：
(1)本发明提供了一种低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法，该方法发明工艺程序严密，实施严谨；烧结温度低于传统银焊膏，工艺程序无需加压，烧结过程中无需惰性气体保护，成本适中，具有应用价值。
(2)本发明制备了连接强度较高的连接接头。与单纯的纳米银焊膏相比，相同的烧结工艺下，烧结后连接强度增高一倍。
附图说明
图1为TDSP未烧结宏观形貌；
图2为瞬态液相烧结过程；
图3为烧结TDSP的XRD图；
图4为TDSP烧结后微观形貌；
图5为烧结Ag+4wt.％Sn膏体接头连接层(a)TEM图片；(b)Ag元素面扫描；(c)Sn元素面扫描。
具体实施方式
实施例1：
(1)锡膏的配置：原料为Sn元素的粉末(粒径为10μm)以及松香助焊剂(规格如表1所示)。按照质量分数进行配比计算(锡粉末和助焊剂质量比为9:1)，采用电子分析天平称取各种原料，通过机械搅拌机搅拌2小时使其混合均匀，搅拌机转速为2000rpm/min；完成锡膏的配置。
表1实验药品
(2)TDSP的配置：将纳米银焊膏和微米锡膏按照质量比例称量于试管中，使得银和锡的质量分数比分别为96:4。加入松油醇充分溶解，先后分别利用螺旋振荡器进行机械振荡(振荡时间为30min)和超声清洗器进行超声振荡(振荡时间为60min，振荡功率为100W)。
(3)TDSP的成型：将混合物倒入坩埚(规格10ml)中，恒温(70℃)水浴挥发，直至成膏状。
烧结工艺：升温速率为5℃/min，室温升高到50℃保温20min，继续升温到200℃保温40min，升温至烧结温度235℃保温30min，之后自然冷却，烧结过程中不加压力，不需要惰性气体保护，最高烧结温度为235℃。
实施例2：
(1)锡膏的配置：原料为Sn元素的粉末(粒径为10μm)以及松香助焊剂(规格如表1所示)。按照质量分数进行配比计算(锡粉末和助焊剂质量比为9:1)，采用电子分析天平称取各种原料，通过机械搅拌机搅拌1小时使其混合均匀，搅拌机转速为1000rpm/min；完成锡膏的配置。
表1实验药品
(2)TDSP的配置：将纳米银焊膏和微米锡膏按照质量比例称量于试管中，使得银和锡的质量分数比分别为99:1。加入松油醇充分溶解，先后分别利用螺旋振荡器进行机械振荡(振荡时间为25min)和超声清洗器进行超声振荡(振荡时间为55min，振荡功率为200W)。
(3)TDSP的成型：将混合物倒入坩埚(规格10ml)中，恒温(70℃)水浴挥发，直至成膏状。
烧结工艺：升温速率为7℃/min，室温升高到60℃保温15min，继续升温到180℃保温60min，升温至烧结温度235℃保温30min，之后自然冷却，烧结过程中不加压力，不需要惰性气体保护，最高烧结温度为235℃。
实施例3：
(1)锡膏的配置：原料为Sn元素的粉末(粒径为10μm)以及松香助焊剂(规格如表1所示)。按照质量分数进行配比计算(锡粉末和助焊剂质量比为9:1)，采用电子分析天平称取各种原料，通过机械搅拌机搅拌1.5小时使其混合均匀，搅拌机转速为1500rpm/min；完成锡膏的配置。
表1实验药品
(2)TDSP的配置：将纳米银焊膏和微米锡膏按照质量比例称量于试管中，使得银和锡的质量分数比为90:10。加入松油醇充分溶解，先后分别利用螺旋振荡器进行机械振荡(振荡时间为35min)和超声清洗器进行超声振荡(振荡时间为65min，振荡功率为150W)。
(3)TDSP的成型：将混合物倒入坩埚(规格10ml)中，恒温(70℃)水浴挥发，直至成膏状。
烧结工艺：升温速率为10℃/min，室温升高到70℃保温10min，继续升温到220℃保温20min，升温至烧结温度235℃保温30min，之后自然冷却，烧结过程中不加压力，不需要惰性气体保护，最高烧结温度为235℃。

Claims (4)

1.低温烧结的锡掺杂纳米银焊膏的制备方法，其特征是步骤如下:
1)配置锡膏:按照锡粉末和助焊剂质量比为9:1配置原料为Sn元素的粉末和松香助焊剂助焊剂，通过搅拌完成微米锡膏；
2)按照银质量分数为90-99％，锡质量分数为1-10％；称量纳米银焊膏和微米锡膏加入松油醇溶解，先利用螺旋振荡器进行机械振荡,然后用超声清洗器进行超声振荡，得到混合物；
3)将混合物在70℃恒温水浴挥发，直至成膏状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是步骤1)机械搅拌机搅拌1-2小时，搅拌机转速为1000-2000rpm/min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是步骤2)中螺旋振荡器进行机械振荡时间为25-35min；超声清洗器进行超声振荡时间为55-65min，振荡功率为100W-200W。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是，松香助焊剂配方松香粉末：异丁醇：松油醇为0.5g：1ml：0.5ml。
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