CN110508970A - 一种三峰体系混合银焊膏及其应用 - Google Patents

一种三峰体系混合银焊膏及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三峰体系混合银焊膏及其应用，该三峰体系混合银焊膏通过混合纳米级、亚微米级、微米级三种尺寸银颗粒，实现了在空气中、无压烧结条件下功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板间的高强度连接。通过本发明专利所述三峰体系混合银焊膏，可以实现致密化烧结，同时银颗粒填充密度的提升也有效降低了银焊膏中所含氧气的分压，从而可以很好地防止镍的氧化，实现高键合强度、高剪切强度的效果，通过本发明专利所述三峰体系混合银焊膏所制得的镀镍基板上的功率模块，具有强剪切强度、优异电气性能的优点，本发明专利烧结工艺及方法简单，通过本发明专利可实现低成本的镍金属代替高成本的金或银作为基板金属化金属，大大降低功率模块封装成本。

Description

一种三峰体系混合银焊膏及其应用
技术领域
本发明属于功率芯片互连及电子封装制造领域，涉及一种三峰体系混合银焊膏及其在功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板互连的应用。
背景技术
功率半导体器件广泛应用于计算机、网络通信、消费电子、工业控制、汽车电子、机车牵引、钢铁冶炼、大功率电源、电力系统等领域，除了保证这些设备的正常运行以外，功率器件还能起到有效的节能作用，在发展低碳经济、节能减排、控制气候变暖等方面不可或缺。
目前，在功率半导体封装领域，主要通过金(Au)或银(Ag)在DBC(Direct BondedCopper)覆铜陶瓷基板表面金属化，之后通过烧结银焊膏实现功率电子芯片与基板的连接，但通过金(Au)或银(Ag)在DBC(Direct Bonded Copper)覆铜陶瓷基板表面金属化的过程大大提高了封装成本，因此在保证封装模块优异电气性能、高剪切强度、高连接强度的前提下，开发DBC(Direct Bonded Copper)覆铜陶瓷基板低成本金属化极其重要。
与金(Au)和银(Ag)相比，镍(Ni)是一种成本低的多的金属，同时镍(Ni)还具有低扩散速率和反应速率的特点，因此如果能采用镍(Ni)作为基板金属化的镀层金属可以降低30％以上的封装成本，同时也能在一定程度上可以显著提高封装可靠性。
但是，镍(Ni)是一种极易被氧化的金属，对于烧结银连接裸镍衬底或敷镍基板过程中，空气气氛中过多的氧会严重氧化裸镍衬底或敷镍基板，从而降低烧结银与镍的扩散连接效果，无法实现致密化烧结，同时产生的镍的氧化物还会阻碍界面处的原子扩散，大大降低键合强度，因此目前针对于功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板的烧结银连接尚无法实现高键合强度、高剪切强度。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种三峰体系混合银焊膏及其应用，解决现有技术中对于功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板的烧结银连接尚无法实现高键合强度、高剪切强度的问题。
本发明的技术方案如下：
一种三峰体系混合银焊膏，主要包括体积百分比为3.5％、粒径尺寸为62nm的纳米银颗粒，体积百分比为35.5％、粒径尺寸为0.4μm的亚微米银颗粒，体积百分比为61％、粒径尺寸为2.5μm的微米银颗粒，以及由分散剂、粘结剂和稀释剂构成的有机溶剂-表面活性剂体系，所述有机溶剂-表面活性剂体系预先除气处理去除其中所含氧气，从而减少了在烧结过程中发生的氧化。
一种三峰体系混合银焊膏在功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板互连中的应用。
采用本发明专利的三峰体系混合银焊膏用于功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板互连主要包括以下步骤：
S1用稀盐酸溶液清洗裸镍衬底或敷镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
S2在裸镍衬底或敷镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层三峰体系混合银焊膏；
S3通过贴片机在印刷完焊膏的区域上放置功率芯片；
S4将连接好功率芯片的镀镍基板按照烧结工艺曲线进行烧结；
S5取烧结后的功率芯片-基板进行引线键合及封装。
其中，S2所述三峰体系银焊膏印制厚度为30～40μm。
S4所述烧结工艺曲线升温速率为5℃/min，烧结温度为230～270℃，保温时间为10～60min。
本发明有益效果：本发明所述三峰体系混合银焊膏可以显著提高烧结过程中银颗粒的填充密度(达到95％以上)，比单峰或双峰体系银焊膏银颗粒填充密度提高30％左右，银颗粒填充密度的提升可以有效提升本发明专利所述三峰体系混合银焊膏的粘结强度，从而提升烧结银焊膏与镍(Ni)的键合强度，同时银颗粒填充密度的提升也有效降低了银焊膏中所含氧气的分压，降低了烧结过程中烧结银焊膏及镍(Ni)与氧气接触的可能性，从而减少镍(Ni)的氧化，从而实现功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板在空气气氛下、无压烧结连接，镍氧化程度的降低更有利于烧结银焊膏与镍界面处的扩散连接，从而实现高键合强度、高剪切强度。
本发明所述三峰体系混合银焊膏可实现烧结银焊膏与镍界面处剪切强度高达40MPa以上，同时所制得封装模块具备跟功率芯片与镀金(Au)或银(Ag)基板烧结银焊膏连接所制得功率模块同样优异的电气性能，通过本发明专利的一种用于功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板互连的三峰体系混合银焊膏可用低成本的镍(Ni)金属代替高成本的金(Au)或银(Ag)作为基板金属化金属，可有效降低功率模块封装成本，本发明专利为在裸镍衬底或敷镍基板上实现高强度烧结银键合开创了道路，在功率模块封装领域具有优良推广潜力。
附图说明
图1：三峰体系混合银焊膏微观结构示意图；(a)三峰体系混合银焊膏纳米银颗粒微观结构示意图(b)三峰体系混合银焊膏微米银颗粒微观结构示意图；
图2：烧结工艺曲线；
图3：单峰纳米银焊膏与三峰体系混合银焊膏剪切强度对比图；
图4：三峰体系混合银焊膏不同烧结条件剪切强度示意图；
图5：三峰体系混合银焊膏连接功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板电气性能示意图；
图6：三峰体系混合银焊膏用于功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板连接过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的三峰体系混合银焊膏，主要包括体积百分比为3.5％、粒径尺寸为62nm的纳米银颗粒，体积百分比为35.5％、粒径尺寸为0.4μm的亚微米银颗粒，体积百分比为61％、粒径尺寸为2.5μm的微米银颗粒，以及由分散剂、粘结剂和稀释剂构成的有机溶剂-表面活性剂体系，所述有机溶剂-表面活性剂体系预先除气处理去除其中所含氧气，从而减少了在烧结过程中发生的氧化。
所述分散剂可以采用鱼油但不限于鱼油；
所述粘结剂可以采用α-松油醇但不限于α-松油醇；
所述稀释剂可以采用丙酮但不限于丙酮。
实施例1
(1)镀镍基板处理，采用浓度为2mol/L的稀盐酸溶液清洗镀镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
(2)三峰体系混合银焊膏印刷，在镀镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层40μm厚的单层三峰体系混合银焊膏；
(3)贴片，通过贴片机将芯片贴在印刷完焊膏的区域；
(4)烧结致密化，升温速率5℃/min，烧结温度230℃，烧结时间30min；
(5)引线键合，通过引线键合机对烧结完成后的基板进行引线键合使其电路连通。
实施例2
(1)镀镍基板处理，采用浓度为2mol/L的稀盐酸溶液清洗镀镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
(2)三峰体系混合银焊膏印刷，在镀镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层30μm厚的单层三峰体系混合银焊膏；
(3)贴片，通过贴片机将芯片贴在印刷完焊膏的区域；
(4)烧结致密化，升温速率5℃/min，烧结温度230℃，烧结时间30min；
(5)引线键合，通过引线键合机对烧结完成后的基板进行引线键合使其电路连通。
实施例3
(1)镀镍基板处理，采用浓度为2mol/L的稀盐酸溶液清洗镀镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
(2)三峰体系混合银焊膏印刷，在镀镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层40μm厚的单层三峰体系混合银焊膏；
(3)贴片，通过贴片机将芯片贴在印刷完焊膏的区域；
(4)烧结致密化，升温速率5℃/min，烧结温度250℃，烧结时间30min；
(5)引线键合，通过引线键合机对烧结完成后的基板进行引线键合使其电路连通。
实施例4
(1)镀镍基板处理，采用浓度为2mol/L的稀盐酸溶液清洗镀镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
(2)三峰体系混合银焊膏印刷，在镀镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层40μm厚的单层三峰体系混合银焊膏；
(3)贴片，通过贴片机将芯片贴在印刷完焊膏的区域；
(4)烧结致密化，升温速率5℃/min，烧结温度270℃，烧结时间30min；
(5)引线键合，通过引线键合机对烧结完成后的基板进行引线键合使其电路连通。
实施例5
(1)镀镍基板处理，采用浓度为2mol/L的稀盐酸溶液清洗镀镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
(2)三峰体系混合银焊膏印刷，在镀镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层40μm厚的单层三峰体系混合银焊膏；
(3)贴片，通过贴片机将芯片贴在印刷完焊膏的区域；
(4)烧结致密化，升温速率5℃/min，烧结温度290℃，烧结时间30min；
(5)引线键合，通过引线键合机对烧结完成后的基板进行引线键合使其电路连通。
实施例6
(1)镀镍基板处理，采用浓度为2mol/L的稀盐酸溶液清洗镀镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
(2)三峰体系混合银焊膏印刷，在镀镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层40μm厚的单层三峰体系混合银焊膏；
(3)贴片，通过贴片机将芯片贴在印刷完焊膏的区域；
(4)烧结致密化，升温速率5℃/min，烧结温度270℃，烧结时间60min；
(5)引线键合，通过引线键合机对烧结完成后的基板进行引线键合使其电路连通。
实施例7
(1)镀镍基板处理，采用浓度为2mol/L的稀盐酸溶液清洗镀镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
(2)三峰体系混合银焊膏印刷，在镀镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层40μm厚的单层三峰体系混合银焊膏；
(3)贴片，通过贴片机将芯片贴在印刷完焊膏的区域；
(4)烧结致密化，升温速率5℃/min，烧结温度270℃，烧结时间10min；
(5)引线键合，通过引线键合机对烧结完成后的基板进行引线键合使其电路连通。
如图1所示，本发明专利所述三峰体系混合银焊膏中纳米银颗粒、亚微米银颗粒及微米银颗粒颗粒分布均匀，无团聚现象，颗粒分散的均匀程度可保证混合银焊膏再烧结过程中的连接均匀性，不会产生局部不均匀强度低的缺陷；如图2、图6所示，所述实施例的实施过程操作简单，在连接过程中无需加压、无需特殊气氛、可直接在空气中进行烧结连接，操作过程简单，对工作环境要求低，易于实现；如图3所示，在相同烧结环境下，采用本发明专利所述三峰体系混合银焊膏的烧结试样剪切强度要高于纯纳米银焊膏烧结试样剪切强度，这表明采用本发明专利所述三峰体系混合银焊膏可实现烧结银的高剪切强度连接，比传统纳米银焊膏更具优势；如图4所示，采用本发明专利所述三峰体系混合银焊膏用于镀镍基板连接的剪切强度接近于镀金基板的连接，这表明采用本发明专利所述三峰体系混合银焊膏可实现在纯镍或镀镍基板上的高强度连接，证明了功率模块封装低成本化的可行性；如图5所示，采用本发明专利所述三峰体系混合银焊膏所制得镀镍基板功率模块的电气性能与传统镀金基板功率模块同等优异，这表面采用本发明专利所述三峰体系混合银焊膏可以实现功率模块在镀镍基板上的封装，且性能与传统镀金基板同等优异，进一步证明本发明专利可实现模块封装低成本化。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
本发明专利对以上所述实施例进行了剪切强度以及静态特性、开关特性、瞬态性能等电气性能进行了相关测试，本发明专利所述三峰体系混合纳米银焊膏用于功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板互连所实现的剪切强度比单峰纳米银焊膏可提高10％～50％，最高可达40MPa，相同烧结工艺曲线下，其剪切强度接近于功率芯片与镀金基板互连所得剪切强度，同时，本发明专利所实现的功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板互连所得功率模块电气性能与目前主流的纳米银焊膏与镀金或镀银基板连接所制得功率模块电气性能一样好。

Claims (10)

1.一种三峰体系混合银焊膏，其特征在于，包括纳米级、亚微米级、微米级银颗粒、有机溶剂-表面活性剂体系。
2.如权利要求1所述的三峰体系混合银焊膏，其特征在于，所述纳米级银颗粒尺寸为62nm，体积百分比为3.5％。
3.如权利要求1所述的三峰体系混合银焊膏，其特征在于，所述亚微米级银颗粒尺寸为0.4μm，体积百分比为35.5％。
4.如权利要求1所述的三峰体系混合银焊膏，其特征在于，所述微米级银颗粒尺寸为2.5μm，体积百分比为61％。
5.如权利要求1所述的三峰体系混合银焊膏，其特征在于，所述有机溶剂-表面活性剂体系主要包括分散剂、粘合剂和稀释剂。
6.如权利要求1所述的三峰体系混合银焊膏，其特征在于，所述有机溶剂-表面活性剂体系经除气处理。
7.如权利要求1-6任意一项权利要求所述的三峰体系混合银焊膏在功率芯片与裸镍衬底或敷镍基板互连中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1用稀盐酸溶液清洗裸镍衬底或敷镍基板表面，去除表面杂质及氧化物；
S2在裸镍衬底或敷镍基板待连接区域利用丝网印刷的方式印制一层三峰体系混合银焊膏；
S3通过贴片机在印刷完焊膏的区域上放置功率芯片；
S4将连接好功率芯片的镀镍基板按照烧结工艺曲线进行烧结；
S5取烧结后的功率芯片-镀镍基板进行引线键合及封装。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，S2所述三峰体系银焊膏印制厚度为30～40μm。
10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，S4所述烧结工艺曲线升温速率为5℃/min，烧结温度为230～270℃，保温时间为10～60min。
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