CN109277722B - 一种改善银电化学迁移的Ag-Si纳米焊膏的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善银电化学迁移的Ag‑Si纳米焊膏的制备方法；将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与稀释剂通过超声水浴充分混合；将硅颗粒和稀释剂的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏中并通过搅拌制得Ag‑Si纳米焊膏；发明的Ag‑Si纳米焊膏中硅易转化为二氧化硅，促使银离子化所需氧的含量也降低，有效改善银的电迁移。将制得的Ag‑Si纳米焊膏和商业纳米银焊膏分别以5℃/min的加热速率在280℃烧结，保温30min后炉冷，在400℃的高温条件下，施加200V的电压进行电迁移实验。结果证明Ag‑Si纳米焊膏的失效寿命相比纳米银焊膏至少提高了5.83倍。

Description

一种改善银电化学迁移的Ag-Si纳米焊膏的制备方法

技术领域

本发明涉及一种改善银电化学迁移的Ag-Si纳米焊膏的制备方法，属于先进材料制备及电子元器件封装领域。

背景技术

近年来，纳米级的纳米银焊膏取代传统依靠机械压力提供烧结驱动力的方法，实现了无压、低温下的烧结并获得了可靠、无铅环保连接，广泛应用于宽带隙半导体高温功率芯片(例如SiC，GaN)。此外纳米Ag焊膏具有导电性好、导热性好、抗疲劳性能优、适用于高温大功率和高密度封装、可加工性好、绿色无铅和工艺温度低等优点，随电力电子行业的发展，逐渐取代传统锡铅焊料成为大功率电子器件高温应用的首选互连材料。

然而银是一种极易发生迁移的金属，且迁移速率快尤其是在高温或潮湿环境中。这是因为高温潮湿环境下，当有电场存在时，相对其他金属其阳极溶解所需的活化能极低。银的电迁移会改变介电性能，降低绝缘电阻，导致银“电桥”形成，使电极间发生短路，影响可靠性并促使设备失效。随电子元器件向小型化趋势发展，电子封装中导体间距的减小，由于银的电化学迁移而带来的设备失效的风险将增加。因此银的电迁移对它在电子封装中的影响必须引起我们的关注。如何改善或抑制银的电迁移，增加电子元器件的失效寿命具有重要的意义。

银的电迁移与氧的分压紧密相关，例如Ag-Si中的硅对银的电化学迁移有减缓作用，能有效改善银的电迁移。这是因为烧结后的Ag-Si纳米焊膏中硅易转化成二氧化硅，从而促使银离子化所需氧的含量也降低，降低银离子的含量，有效改善银的电迁移。因此开发一种银与硅的导电浆料非常必要。

发明内容

本发明是针对电子封装中纳米银焊膏连接高温功率芯片时存在的银的电迁移问题，瞄准连接材料的改善部分，使电子元器件能满足在较高的温度和电场的作用下，失效寿命有所提升。

本发明的技术方案如下：

一种改善银电化学迁移的Ag-Si纳米焊膏的制备方法：将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与稀释剂通过超声水浴充分混合；将上述制备的硅颗粒和稀释剂的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏加入到中，并通过搅拌混合均匀制得Ag-Si纳米焊膏；添加稀释剂是为了调整焊膏的粘度以便于纳米Ag-Si焊膏的涂敷、印刷。

所述的Ag-Si纳米焊膏中银焊膏的质量百分数为99.91％～60.24％，对应的硅颗粒与稀释剂的混合物的质量百分数为0.09％～39.76％。

所述的稀释剂为醇类溶剂，如松油醇。

所述的硅颗粒的质量与稀释剂的质量比为1:1～2.5。

在超声水浴的协助下混合15～45min，使硅颗粒与稀释剂能够充分混合。

在转速为1000～2000r/min的高效搅拌仪下搅拌30～60s制得Ag-Si纳米焊膏。它的作用是能同时进行高粘度材料的搅拌和分散，可以帮助纳米颗粒分散从而制得Ag-Si焊膏。

本发明烧结后的Ag-Si纳米焊膏中硅易转化为二氧化硅，从而促使银离子化所需氧的含量也降低，降低银离子的含量，有效改善银的电迁移。将制得的Ag-Si纳米焊膏和商业获得的纳米银焊膏分别以5℃/min的加热速率在280℃下进行烧结，保温30min后炉冷(针对一些大面积芯片粘接试样有机物的烘干和粘结剂的烧蚀较慢，经过多次试验，烧结加热曲线的加热速率为5℃/min，最终温度为280℃，保温30min)，然后在400℃的高温条件下，施加200V的电压进行电迁移实验。结果证明Ag-Si纳米焊膏的失效寿命相比纳米银焊膏至少提高了5.83倍。

实施方式包括但不局限于加热台、烘箱等加热设备。

本发明的效果：

(1)制备的Ag-Si纳米焊膏，其失效寿命相比纳米银焊膏至少提高了5.83倍。

(2)纳米Ag-Si焊膏连接芯片的剪切强度可以稳定地达到22MPa左右。

(3)本发明制备工艺简单，效率高，稳定性好，成本低。

附图说明

图1：实施例1的混合比例后，Ag-Si纳米焊膏和纳米银焊膏在电化学迁移实验过程中的漏电流随时间变化关系图。规定漏电流值达到1mA时的时间为失效寿命，纳米银焊膏的平均失效寿命约为286min，Ag-Si纳米焊膏的平均失效寿命约为1666min，其失效寿命相比纳米银焊膏至少提高了5.83倍。

具体实施方式

本发明是将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与稀释剂在超声水浴的协助下混合，将上述制备的硅颗粒和稀释剂的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏中，得到银硅纳米颗粒混合物，并通过搅拌混合均匀制得Ag-Si纳米焊膏，提供了一种常温条件下高效率制备Ag-Si纳米焊膏的方法，制得的Ag-Si纳米焊膏性能优良，工艺简单，稳定性好，成本低。具体步骤为：

(a)配备硅颗粒和稀释剂的混合物：将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与稀释剂(松油醇)在超声水浴的协助下混合15～45min；

(b)配备银、硅颗粒和稀释剂的混合物：将上述制备的硅颗粒和稀释剂的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏中，得到银、硅颗粒和稀释剂的混合物；

(c)搅拌：将步骤(b)获得的银、硅颗粒和稀释剂的混合物通过转速为1000～2000r/min的高效搅拌仪搅拌30～60s制得Ag-Si纳米焊膏。

实施例1

(a)将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与稀释剂松油醇在超声水浴的协助下混合30min，其中硅颗粒的质量为0.1g，松油醇的质量为0.1g；

(b)将上述制备的硅颗粒和稀释剂松油醇的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏中，其中银焊膏的质量为113.52g，得到银、硅颗粒和松油醇的混合物；

(c)将步骤(b)获得的银、硅颗粒和松油醇的混合物通过转速为2000r/min的高效搅拌仪搅拌60s制得Ag-Si纳米焊膏。

实施例2

(a)将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与稀释剂松油醇在超声水浴的协助下混合15min，其中硅颗粒的质量为1g，松油醇的质量为2g；

(b)将上述制备的硅颗粒和稀释剂松油醇的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏中，其中银焊膏的质量为112.5g，得到银、硅颗粒和松油醇的混合物；

(c)将步骤(b)获得的银、硅颗粒和松油醇的混合物通过转速为1500r/min的高效搅拌仪搅拌45s制得Ag-Si纳米焊膏。

实施例3

(a)将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与稀释剂松油醇在超声水浴的协助下混合45min，其中硅颗粒的质量为15g，松油醇的质量为22.5g；

(b)将上述制备的硅颗粒和稀释剂松油醇的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏中，其中银的质量为96.59g，得到银、硅颗粒和松油醇的混合物；

(c)将步骤(b)获得的银、硅颗粒和松油醇的混合物通过转速为1000r/min的高效搅拌仪搅拌30s制得Ag-Si纳米焊膏。

将制得的Ag-Si纳米焊膏和商业获得的纳米银焊膏分别以5℃/min的加热速率在280℃下进行烧结，保温30min后炉冷，然后在400℃的高温条件下，施加200V的电压进行电迁移实验。结果证明Ag-Si纳米焊膏的失效寿命相比纳米银焊膏的失效寿命至少提高了5.83倍。

本发明公开和提出的所有方法，已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。Ag-Si纳米焊膏在连接高温功率芯片时能明显改善或抑制银的迁移，增加电子元器件的失效寿命，满足电子封装使用要求。

Claims (6)

1.一种改善银电化学迁移的Ag-Si纳米焊膏的制备方法，其特征是将平均颗粒尺寸为15～100nm的硅颗粒与醇类稀释剂通过超声水浴充分混合；将上述制备的硅颗粒和醇类稀释剂的混合物加入到平均颗粒尺寸为50～500nm的纳米银焊膏中，并通过搅拌混合均匀制得Ag-Si纳米焊膏。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的Ag-Si纳米焊膏中银焊膏的质量百分数为99.91％～60.24％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的硅颗粒的质量与稀释剂的质量比为1:1～2.5。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是述的醇类稀释剂为松油醇。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是在超声水浴的协助下混合15～45min。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是在转速为1000～2000r/min的高效搅拌仪下搅拌30～60s制得Ag-Si纳米焊膏。

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