CN107833651A - 一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法 - Google Patents

一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合纳米银膏的制备方法及快速烧结封装方法，制备方法包括S1清洗、离心微米银片；S2在S1所得微米银片中混入纳米银颗粒和有机溶剂，超声、搅拌；S3在S2所得混合溶液中加入有机载体和表面活性剂，超声、搅拌得到复合纳米银膏；封装方法包括S1通过点胶或者丝网印刷涂覆银膏；S2将涂覆有复合纳米银膏的芯片和基板对准堆叠；S3使用热压焊或超声热压焊烧结完成互连。本发明实现了复合纳米银膏快速烧结封装，降低了材料成本，制备过程绿色环保，简化了封装工艺和设备，提高了生产效率，有利于节能减排，并能够减少纳米银膏烧结体在服役过程中继续烧结引起的体积收缩，提高封装器件的寿命和可靠性，适用于完成电子封装领域中高温电子器件的高可靠性低温封装互连。

Description

一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法
技术领域
本发明涉及电子封装领域，更具体地，涉及一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法。
背景技术
由于纳米金属颗粒的高表面能、低熔点特性，近年来国内外提出使用纳米金属烧结封装电子芯片，其中具有良好导电、导热、延展性及耐高温性能的纳米银膏被广泛用于完成高温电子器件的低温低压烧结封装，在微电子领域占有极其重要的地位。
然而，纳米银的价格昂贵，烧结时间较长且所得烧结体孔隙率较高，同时在服役态下纳米银膏烧结体会因为环境高温或电阻热效应继续烧结，烧结体的体积不断收缩，致使内应力不断增大，引起并加速封装结构的性能衰减，甚至导致失效。为了降低材料及生产工艺成本、提高封装可靠性，就需要对纳米银膏的成分结构及封装方法进行优化。
例如，CN106493389A公开了一种复合粒径纳米银膏的制备方法，包含：步骤1，采用二水合柠檬酸钠与七水合硫酸亚铁还原硝酸银，离心分离，将纳米银颗粒于超纯水中分散，加入二水合柠檬酸钠絮凝，再次离心分离，重复超过3 次分散、絮凝再离心分离步骤，得到第一尺寸纳米银颗粒；步骤2，采用二水合柠檬酸钠还原硝酸银；采用二水合柠檬酸钠溶液絮凝；离心分离获得第二尺寸纳米银颗粒；步骤3，将第一尺寸与第二尺寸纳米银颗粒以质量比2:1～5:1混合、分散在超纯水中；加入二水合柠檬酸钠溶液絮凝；离心分离获得复合粒径纳米银膏。该方法存在制备工艺复杂，银膏产率低的问题，无法大量制备，难以满足工业的需要。其次小尺寸的纳米银颗粒在室温下即可烧结，保存性差，不易分散，使得银膏不易储存。因此该方法需要提高银膏产率，提高小尺寸纳米银粒径，改善储存性能。
CN104668551A提供了一种用作热界面材料的双峰分布纳米银膏及其制备方法：采用5nm—20nm小粒径纳米银颗粒和30nm—150nm的大粒径纳米银颗粒，按照质量比例为4：1—1：1与超纯水按照一定比例混合，机械搅拌，超声分散，然后离心，去除上层溶液，得到双峰分布纳米银膏。该方法使用水作为银膏溶剂，粘度较差，不易于点胶与丝网印刷，不能匹配现有的生产工艺。水作为溶剂，易于挥发且对纳米颗粒的分散作用较差，水基银膏无法长时间储存，水中小尺寸纳米银颗粒只有1-2天的储存时间，不利于实际的生产应用。该方法需要更换粘度较高且不易挥发的有机溶剂，改善分散性与银膏的储存性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法，旨在解决现有纳米银膏成本高、服役条件下体积收缩导致器件寿命缩短的问题。
本发明通过以下技术方案实现：一种复合纳米银膏的制备方法，包括以下步骤：
S1：使用甲酸、乙酸、乙醇等有机酸或有机溶剂对微米银片进行表面清洗、离心；
S2：在步骤S1所得微米银片中加入覆有有机包覆层的纳米银颗粒和有机溶剂，搅拌得到液体混合物，其中所述的有机溶剂为乙醇、乙二醇、丙二醇中的一种或多种的混合体，且乙醇的体积百分数小于25％；
S3：将表面活性剂、有机载体溶入有机溶剂，并与步骤S2所得溶液混合，充分搅拌、超声分散后得到复合纳米银膏。
进一步的，所述的一种复合纳米银膏的制备方法，所述步骤S1中微米银片为球磨法制得的纯银片，尺寸为0.5μm-10μm，其在复合银膏中的质量百分数为 0-50％，优选20％。
该尺寸的微米银片在典型的回流焊温度下(250℃)，具有一定的烧结性能，且相比于纯纳米颗粒组成的焊膏，具有更大的堆垛密度，20％的质量比既能明显改善烧结时的体积收缩，又不会明显降低连接强度，更低的质量比会带来体积收缩产生的裂纹，而过大的质量比会显著降低连接强度。
步骤S2中纳米银颗粒的平均为13-100nm，表面的有机包覆层为聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠或柠檬酸，该尺寸的纳米银具有明显的小尺寸效应，可以有效地降低银膏的烧结温度。
进一步的，所述的一种复合纳米银膏的制备方法，所述步骤S3中表面活性剂为戊二酸或松香酸，有机载体为乙基纤维素、聚乙烯醇、松油醇等，所得银膏中表面活性剂的质量百分数为0.1～1％，该浓度的活性剂可以有效去除铜表面的氧化膜，同时只会引入极少量的缺陷。有机载体的质量百分数为5～10％，可以调节银膏的粘度且易挥发。有机溶剂的质量百分数为10～40％，余量为纳米银和微米银片。
本发明另一目的在于提供一种复合纳米银膏的快速烧结封装方法，包括以下步骤：
其中，所述复合纳米银膏通过前述的一种复合纳米银膏的制备方法制得；
S1：通过点胶或者丝网印刷的方法将复合纳米银膏涂覆在芯片和基板表面的焊盘或过渡金属化层上；
S2：将涂覆有复合纳米银膏的芯片和基板对准堆叠形成封装结构；
S3：使用脉冲热压焊或超声热压焊在短时间内对封装区域进行局部加热、施压，使复合纳米银膏快速烧结完成互连。
进一步的，所述的一种复合纳米银膏的快速烧结封装方法，所述的一种复合纳米银膏的快速烧结封装方法，其特征在于：所述的芯片或基板是Cu、Ag、Au、 Ni或带有上述材料镀层的Si、SiC、陶瓷等。
目前电子制造业的器件基板以硅基为主，高温高频及大功率器件基板多使用 SiC与陶瓷，为了增强可焊性，在基板表面进行预处理，如化学镀镍浸金(ENIG)，镀银处理或基板上直接覆铜(DBC)，因此该封装方法与目前大多数封装工艺都有着良好的工艺兼容性。
进一步的，所述的一种复合纳米银膏的快速烧结封装方法，所述S3的脉冲热压焊或超声热压焊的加热温度为150～350℃，所述压力为0.1～10MPa，加热、施压时间为10～90s。
本发明相对于现有技术的有益效果：
(1)本发明基于纳米银颗粒和微米银片制备具有低温烧结性能的复合纳米银膏，降低了材料成本，减少了纳米银膏烧结体在服役过程中继续烧结引起的体积收缩，提高了封装器件的寿命和可靠性。
(2)同时本发明提出的快速烧结封装方法的封装工艺、设备简单且加热区域小、加热时间短、热影响小，能够进一步降低封装工艺成本，提高生产效率，并有利于节能减排，适合应用于电子封装领域中高温电子器件的高可靠性低温封装互连。
附图说明：
图1为复合纳米银膏经快速烧结封装后的组织形貌，其中，图1为实例2 的烧结组织SEM图像，其中1(a)为100K SEM图像；1(b)为150K SEM图像。
具体实施方式
下面通过实施例和附图解释本发明，但本发明不局限于此。
实施例1一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法，包括：
(1)将平均粒径为50nm且表面包覆有聚乙烯吡咯烷酮的纳米银颗粒混入乙二醇中得到纳米银浆料。
(2)将戊二酸和松油醇溶入乙二醇中，并与纳米银浆料混合，充分机械搅拌和超声分散，得到复合纳米银膏，其中纳米银颗粒的总质量百分数为74.7％，戊二酸的质量百分数为0.3％，松油醇的质量百分数为5％。
(3)通过点胶的方法将所得纳米银膏涂覆在铜基板表面，对准堆叠形成封装结构。
(4)使用脉冲热压焊对需要互连的区域加热、施压，加热温度为300℃，加热时间为40s，压力为8MPa，即可使复合纳米银膏快速烧结完成互连。
测试结果表明，相较于传统烧结工艺，本实施例的封装效率提高了2倍，所得封装结构的剪切强度可达71.4MPa，能够满足器件的封装和结构要求，且封装设备和工艺成本大幅降低。
实施例2一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法，包括：
(1)使用质量百分数为2.5％的甲酸清洗平均2-5μm的微米银片，并使用乙醇溶液多次清洗、离心，得到洁净的微米银片；
(2)将平均为50nm且表面带有柠檬酸钠包覆层的纳米银颗粒与微米银片混合，并加入质量比为1:4的乙醇和乙二醇的混合溶液，得到纳米银浆料，其中微米银片的固含量为20％。
(3)将松香酸和聚乙烯醇溶入质量比为1:4的乙醇和乙二醇的混合溶液，并与纳米银浆料混合，充分超声分散后使用行星式重力搅拌仪搅拌，得到复合纳米银膏，其中微米银片和纳米银颗粒的总质量百分数为83％，松香酸的质量百分数为0.5％，聚乙烯醇的质量百分数为6.5％。
(4)通过丝网印刷的方法将所得复合纳米银膏涂覆在镀银铜基板表面，对准堆叠形成封装结构。
(5)使用脉冲热压焊对互连区域加热、施压，加热温度为300℃，加热时间为50s，压力为8MPa，促使纳米银膏烧结，完成互连。烧结组织SEM图像的参见图1所示。
测试结果表明，同实施例1相比，区别在于复合纳米银膏的生产成本下降了 15％，所得互连接头的平均剪切强度可达67.2MPa，且烧结体在老化过程中的体积收缩比例和内应力峰值均显著降低，使得器件的长期服役性能和可靠性显著提高。
实施例3一种复合纳米银膏及快速烧结封装方法，包括：
(1)使用质量百分数为2％的甲酸酒精溶液清洗平均为500nm的微米银片，并使用乙醇溶液多次清洗、离心，得到洁净的微米银片；
(2)将平均为13nm且表面有柠檬酸钠包覆层的纳米银颗粒与微米银片混合，并混入质量比为1:4的乙醇和丙二醇的混合溶液得到纳米银浆料，其中微米银片的固含量为10％。
(3)将松香酸和乙基纤维素溶入质量比为1:4的乙醇和丙二醇的混合溶液，并与纳米银浆料混合，超声分散并采用行星式重力搅拌仪进行搅拌，得到复合纳米银膏，其中微米银片和纳米银颗粒的总质量百分数为69.9％，松香酸的质量百分数为0.1％，聚乙烯醇的质量百分数为5％。
(4)通过丝网印刷的方法将所得复合纳米银膏涂覆在铜基板表面，对准堆叠形成封装结构。
(5)通过超声热压焊的方法使封装区域的银膏快速烧结完成互连，其加热温度为150℃，加热时间为10s，压力为0.1MPa。
测试结果表明，同实施例2相比，区别在于加热温度更低、加热时间更短，进一步降低了封装工艺成本并使得生产效率再次提高了1倍，同时封装结构的剪切强度可达47MPa，仍能够满足器件的封装要求。然而，由于所用纳米银颗粒粒径较细且固含量更高，总成本有所提升但仍低于纯纳米银所制银膏。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合纳米银膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：使用甲酸、乙酸、乙醇等有机酸或有机溶剂对微米银片进行表面清洗、离心；
S2：在步骤S1所得微米银片中加入覆有有机包覆层的纳米银颗粒和有机溶剂，超声辅助机械搅拌得到液体混合物，其中所述的有机溶剂为乙醇、乙二醇、丙二醇中的一种或多种的混合体，且乙醇的体积百分数小于25％；
S3：将表面活性剂、有机载体溶入有机溶剂，并与步骤S2所得溶液混合，充分搅拌、超声分散后得到复合纳米银膏。
2.根据权利要求1所述的一种复合纳米银膏的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中微米银片为球磨法制得的纯银片，尺寸为0.5μm-10μm，其在复合银膏中的质量百分数为0-50％，步骤S2中纳米银颗粒的平均为13-100nm，表面的有机包覆层为聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠或柠檬酸。
3.根据权利要求2所述的一种复合纳米银膏的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中微米银片为球磨法制得的纯银片，尺寸为0.5μm-10μm，其在复合银膏中的质量百分数为20％。
4.根据权利要求1所述的一种复合纳米银膏的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中表面活性剂为戊二酸或松香酸，有机载体为乙基纤维素、聚乙烯醇、松油醇等，所得银膏中表面活性剂的质量百分数为0.1～1％，有机载体的质量百分数为5～10％，有机溶剂的质量百分数为10～40％，余量为纳米银和微米银片。
5.一种复合纳米银膏的快速烧结封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
其中，所述复合纳米银膏通过权利要求1-4任一项所述一种复合纳米银膏的制备方法制得；
S1：通过点胶或者丝网印刷的方法将复合纳米银膏涂覆在芯片和基板表面的焊盘或过渡金属化层上；
S2：将涂覆有复合纳米银膏的芯片和基板对准堆叠形成封装结构；
S3：使用脉冲热压焊或超声热压焊在短时间内对封装区域进行局部加热、施压，使复合纳米银膏快速烧结完成互连。
6.根据权利要求5所述的一种复合纳米银膏的快速烧结封装方法，其特征在于：所述的芯片或基板是Cu、Ag、Au、Ni或带有上述材料镀层的Si、SiC、陶瓷等。
7.根据权利要求4所述的一种复合纳米银膏的快速烧结封装方法，其特征在于：所述的脉冲热压焊或超声热压焊的加热温度为150～350℃，所述压力为0.1～10MPa，加热、施压时间为10～90s。
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