CN111276410B - 高功率模块的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高功率模块的制备方法，其是以非接触式探针配合电压量测自动回馈方式，将银基奈米浆料涂布在散热基板上，而该银基奈米浆料包含含有作为主银粒子且表面具有机酸保护的奈米银粒子和作为副银粒子的微米银粒子的银基金属粒子；对银基奈米浆料进行加温后将IC芯片放置于该银基奈米浆料上方形成一组合对象；最后利用热压机对该组合对象进行热压接合制程，烧结该银基奈米浆料，以形成该IC芯片与该散热基板的热接口材料层。藉此，所得热接口材料在完成热处理后仅含少量有机物，且99％以上为纯银，故长时间使用下将无有机挥发物产生，且高温下相当稳定，不会产生任何介金属化合物，从而不会有因制程(环境)温度而脆化的问题。

Description

高功率模块的制备方法
技术领域
本发明有关于一种高功率模块的制备方法，尤指一种含有两种不同尺寸的银粒子的银基奈米浆料，特别是指搭配全新非接触式探针点胶技术进行涂布而可避免破坏基板，并经热压烧结后形成的热接口材料。
背景技术
近年环保意识抬头，无铅电子封装材料将为未来环保趋势，故目前商用的硅基高功率模块的热接口材料(thermal interface materials,TIM)主要是以锡银铜(Sn-Ag-Cu)合金为封装材料。然而，次世代高功率模块将以碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)为主要材料，且工作温度高于150℃。在此高温下，锡银铜合金容易形成易脆裂的介金属化合物。而高功率模块在长时间的热循环下所累积的剪应力将会导致此介金属化合物的破裂，进而使得模块因散热不良而失效。
参考数百笔专利后，统整现有技术如下：
1.作为焊接用途：为减少铅、镉等危害物质的用量，发明一种无铅焊料合金，以锌(Zn)作为主成份及铝(Al)作为合金金属制成，并将其用于机械连接或电子应用中。简言之，包含锌作为主成分及铝作为合金金属的无铅共晶焊料合金。
2.用于太阳能及接合：制作焊接合用层合体，由金属奈米粒子烧结体层(含有平均粒径为1μm～100nm的银奈米粒子)、黏结剂层、含有金属氧化物粒子的障壁层、及金锡(Au-Sn)合金焊料所构成的焊接合层构成。此接合体可为光电转换的组件，作为太阳能电池使用。简言之，焊接合用层合体及接合体。
3.作为电极用途：一种导电银胶(Conductive Silver Paste)，其包含微米级银粉、银盐、氨基苯酚型环氧化合物及固化剂，藉由合并采用银盐及氨基苯酚型环氧化合物，在较低制造成本下，使其同时兼具良好作业性与高导电度的特性。简言之，导电银胶与导电银层。
4.用于太阳能及电极：此用于形成电极的银胶组成物包括银粉、玻璃烧结粉、有机黏结剂、以及碳黑；其有良好的印刷适性、优秀的电性质、以及能量转换效率，可用于太阳能电池的电极。简言之，用于形成电极的银胶组成物及其制备方法。
由上述可知，目前相关产业现况为喷胶、无热压、非奈米级银胶、以及银含量小于90％。其中喷胶应用针式点胶转移技术，以探针将浆料带出，藉由探针接触散热基板以完成浆料涂布，目前已有相关技术。但此探针式点胶为接触式点胶技术，容易因散热基板表面高低差过大而有破坏基板及基板表面涂层的情形发生，以致影响日后的电路焊锡零件蚀刻作业，并在长时间使用下促使探针损坏机率高，导致制程成本提高。
面对目前最为广泛用于电子封装产业的异质接合材料为铅锡合金两种。由于铅会破坏人类神经系统以及妨碍胎儿发育，故目前世界各国正努力寻找无铅接合材料。然而，无铅焊锡主要成份为锡银铜合金，该合金在高温环境下易形成介金属化合物(Cu6Sn5与Cu3Sn)，一旦此介金属化合物形成后，接点在高温下(＞150℃)的机械强度则降为原来的三分之一，且在长时间的热循环下容易形成孔洞，使得接合强度更为脆弱。再者，当孔洞形成后，增加高功率模块内部散热鳍片与功率集成电路(integrated circuit,IC)组件的接口热阻，导致散热不易，最终使得高功率模块热失效。故，一般无法符合使用者于实际使用时所需。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服已知技术所遭遇的上述问题，并提供一种使用的热接口材料在完成热处理后仅含少量有机物(＜1％)，且99％以上为纯银，故长时间使用下将无有机挥发物(Volatile Organic Compounds,VOC)的产生，且在高温下(＜800℃)相当稳定，不会产生任何介金属化合物，从而不会有因制程(环境)温度而脆化的问题的高功率模块的制备方法。
本发明的次要目的在于，提供一种使用的热接口材料为纯银，以高纯度银做异质界面接合用材料，其导热系数为锡银铜合金(无铅焊锡)的两倍以上，将可取代锡银铜合金及铅锡与银铅锡合金(传统焊锡)的高功率模块的制备方法。
本发明的另一目的在于，提供一种奈米银粒子与微米银粒子的特定比例范围，且因主要组成银粒子的尺寸为100nm以下的奈米银粒子，故所使用的热处理温度低于250℃，可避免电子组件在封装制程中受到高温而破坏的高功率模块的制备方法。
本发明的再一目的在于，提供一种采用全新非接触式探针点胶技术将可避免破坏基板的高功率模块的制备方法。
本发明的又一目的在于，提供一种添加具有特殊设计之有机银离子化合物作为银前驱物，可有效提高烧结后热界面材料层之致密性，提高导热性质与机械性质，并且有效降低材料成本之高功率模块之制备方法。
为达以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种高功率模块的制备方法，其至少包含以下步骤：
步骤一：提供一非接触式探针点胶设备，以非接触式探针配合电压量测自动回馈方式，将一银基奈米浆料涂布在一散热基板上，而该银基奈米浆料以重量份计，包含65～70份银基金属粒子、5～10份有机银离子化合物、1-5份有机添加物、以及30～40份第一溶剂；其中该银基金属粒子由作为主银粒子、表面由有机酸保护，且粒径小于100nm的奈米银粒子，以及作为副银粒子且粒径为500～1000nm的微米银粒子组成，该奈米银粒子与该微米银粒子的重量比为9:1～1:1，而该非接触式探针点胶设备包含一组传感器，是由重量感测组件、电容及电阻建构而成的自动回馈控制系统；步骤二：将涂布于该散热基板上的银基奈米浆料进行加温，并持温一段时间；步骤三：将一集成电路芯片放置于该散热基板的银基奈米浆料上方，形成一组合对象；以及步骤四：利用一热压机对该组合对象进行加压与加热的热压接合制程，烧结该银基奈米浆料，以形成该IC芯片与该散热基板的热接口材料层，其中该热压机的加压压力为1～10MPa，加热到210～300℃，并维持上述压力与温度30～120分钟后冷却至室温。
于本发明上述实施例中，该散热基板的材质为银、铜、金、或镍之合金，或是材质为陶瓷、或氧化硅的基板上具有银、金、镍、钛的合金或氮化物镀层。
于本发明上述实施例中，该步骤一亦可以网版印刷、或刮刀涂布方式将该银基奈米浆料涂布在该散热基板上。
于本发明上述实施例中，该银基金属粒子是以化学合成法合成两种以上粒径的银粒子并混合。
于本发明上述实施例中，该有机酸为庚酸或丙酸。
于本发明上述实施例中，该有机银离子化合物为银前驱物，主要含有长碳链脂肪酸的官能基与银离子。
于本发明上述实施例中，该有机银离子化合物为2-乙基己酸银(silver 2-ethylhexanoate)。
于本发明上述实施例中，该有机添加物为乙基纤维素或甘油。
于本发明上述实施例中，该第一溶剂为松油醇(α-terpineol)。
于本发明上述实施例中，该银基奈米浆料更包含1-3份第二溶剂，主要为在0～25℃仍为液态的三级醇类与各级酮醇类的有机溶剂。
于本发明上述实施例中，该第二溶剂为丙酮醇(1-hydroxybutanone或Acetol)、二丙酮醇(4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone或Diacetone Alcohol)、2-甲基-2-丁醇(2-methyl-2-butanol)、或2-丙醇(2-propanol)。
于本发明上述实施例中，该非接触式探针点胶设备更包含一容器，可容纳该银基奈米浆料；一制动装置，设于该容器之一侧，用以作为推压的动力源；一推进活塞，设于该容器上并与该制动装置电性连接，其一端为活塞头，另一端为连杆，受该制动装置驱动而产生上、下运动；以及一探针，设于该容器底端，当该探针前端的银基奈米浆料碰触到该散热基板的瞬间，该组传感器量测电容(电阻)即会改变，此时设备可自动停止下针，完成浆料涂布。
于本发明上述实施例中，该步骤二是将涂布于该散热基板上的银基奈米浆料加温至55～85℃，持温5～10分钟。
于本发明上述实施例中，该步骤四热压接合制程后，该IC芯片与该散热基板的热接口材料层90％以上的成分为银，孔隙率小于15％，且厚度为0.5～10μm。
于本发明上述实施例中，该步骤四若未对该组合对象加压而仅加热烧结后，该IC芯片与该散热基板之热接口材料层90％以上的成分为银，孔隙率小于25％，且厚度为1～15μm。
附图说明
图1是本发明的制备流程示意图。
图2是本发明的非接触式探针配合电压量测自动回馈方式示意图。
图3是本发明非接触式点胶与传统接触式点胶的比较示意图。
其中：A为本发明的非接触式点胶；B为传统接触式点胶；左侧二图为二种点胶方式点胶的SEM图；中间二图为以SEM分别量测二种点胶方式的节点尺寸；右侧二图为以alpha-step技术量测二种点胶方式的节点尺寸图。从上述结果可得，非接触点胶确实可以转移浆料，且节点尺寸可以更小。
图4是本发明经热压接合后的热界面材料层SEM图。
标号对照：
非接触式探针点胶设备 1
容器 11
制动装置 12
推进活塞 13
活塞头 131
连杆 132
探针 14
传感器 15
散热基板 2
步骤 s101～s104。
具体实施方式
请参阅图1至图4所示，分别为本发明的制备流程示意图、本发明的非接触式探针配合电压量测自动回馈方式示意图、本发明非接触式点胶与传统接触式点胶的比较示意图以及本发明经热压接合后的热接口材料层SEM图。如图所示：本发明为一种高功率模块的制备方法，可在集成电路(IC)芯片(热源)与散热基板间利用网版印刷、探针式点胶转移技术或刮刀涂布等方式将银基奈米浆料涂布在该散热基板上；其中该散热基板的材质为银、铜、金、或镍的合金，或是材质为陶瓷、或氧化硅的基板上具有银、金、镍、钛的合金或氮化物镀层。
根据上述探针式点胶转移技术，本发明所提方法主要采用非接触式探针点胶技术，使浆料由探针带出后，不碰触基板，而是仅让浆料接触基板后完成浆料涂布。如图3所示，图(A)显示本方法可避免因探针接触基板而破坏基板及基板表面涂层，并避免探针长时间使用而损坏，且可达到较小的涂布面积，相较图(B)所示接触式探针点胶技术，本发明可小30％的涂布面积。
因此，本发明为适应次世代高功率模块的高工作温度，提出新型态的热接口材料作为新世代高功率模块的关键材料之一，所提高功率模块的制备方法如图1所示，至少包含下列步骤：
步骤s101：提供一非接触式探针点胶设备1，以非接触式探针配合电压量测自动回馈方式，将一银基奈米浆料(图中未示)涂布在一散热基板2上，而该银基奈米浆料以重量份计，包含有65～70份银基金属粒子，该银基金属粒子是以化学合成法合成两种以上粒径的银粒子并混合，由作为主银粒子、表面由有机酸(如：庚酸或丙酸)保护，且粒径小于100nm的奈米银粒子，以及作为副银粒子且粒径为500～1000nm的微米银粒子组成，而该奈米银粒子与该微米银粒子的重量比为9:1～1:1；5～10份有机银离子化合物作为银前驱物，主要含有长碳链脂肪酸的官能基与银离子，并可为2-乙基己酸银(silver 2-ethylhexanoate)；1-5份的有机添加物，可为乙基纤维素或甘油；30～40份第一溶剂，可为松油醇(α-terpineol)；以及1-3份的第二溶剂，主要为于0～25℃仍为液态的三级醇类与各级酮醇类的有机溶剂，并可为丙酮醇(1-hydroxybutanone或Acetol)、二丙酮醇(4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone或Diacetone Alcohol)、2-甲基-2-丁醇(2-methyl-2-butanol)、或2-丙醇(2-propanol)。
上述非接触式探针点胶设备1如图2所示，其包含一容器11，可容纳该银基奈米浆料；一制动装置12，设于该容器11的一侧，内含步进马达，用以作为推压的动力源；一推进活塞13，设于该容器11上并与该制动装置12电性连接，该推进活塞13的一端为活塞头131，另一端为连杆132，受该制动装置12驱动而产生上、下运动；一探针14，设于该容器11底端；以及一组传感器15，是由重量感测组件、电容及电阻建构而成的自动回馈控制系统。该非接触式探针点胶设备1目的为，当该探针14前端的银基奈米浆料碰触到该散热基板2的瞬间，该组传感器15量测电容(电阻)即会改变，此时设备1可自动停止下针，达到避免传统接触式点胶技术因散热基板表面高低差过大而破坏基板的情形发生，如图3所示。
步骤s102：将涂布于该散热基板上的银基奈米浆料加温至55～85℃，持温5～10分钟。
步骤s103：将一IC芯片放置于该散热基板的银基奈米浆料上方，形成一组合对象。
步骤s104：利用一热压机对该组合对象进行加压与加热的热压接合制程，烧结该银基奈米浆料，以形成该IC芯片与该散热基板的热接口材料层，其中该热压机的工作参数如下：加压压力为1～10MPa，加热到210～300℃，并维持上述压力与温度30～120分钟，再冷却至室温。若不对该组合对象加压，则将该组合对象加热至210～300℃，并保温在上述温度30～120分钟后再冷却至室温。如是，藉由上述揭露流程构成一全新的高功率模块的制备方法。
上述热压接合制程后，该IC芯片与该散热基板的热接口材料层90％以上成分为银，孔隙率小于15％，且厚度为0.5～10μm，如图4所示。若未对该组合对象加压而仅加热烧结后，该IC芯片与该散热基板的热接口材料层90％以上成分为银，孔隙率小于25％，且厚度为1～15μm。
藉此，本发明具有下列功效：
1.本发明使用的热接口材料将不会产生任何介金属化合物，故不会因制程(环境)温度而脆化，且在高温下(＜800℃)相当稳定。
2.本发明使用的热接口材料在完成热处理后仅含少量有机物(＜1％)，且99％以上为纯银，故长时间使用下将无有机挥发物(Volatile Organic Compounds,VOC)产生。
3.本发明所使用的热接口材料为纯银，以高纯度银做异质界面接合用材料，其导热系数为锡银铜合金(无铅焊锡)的两倍以上，如表1所示。
表1本发明与现有锡银铜合金焊料的比较
锡银铜焊料 本发明
导电率(mΩ-cm) 0.010～0.015 <0.001
热传导系数(W/m-K) 60 >200
4.本发明不含铅、镉、卤素等毒性物质。
5.目前高功率模块的工作温度已上升至150℃，次世代高功率模块的工作温度将上升至200℃，则本发明所使用的热接口材料为纯银，将可取代无铅焊锡的锡银铜合金与传统焊锡的铅锡与银铅锡合金。
6.本发明奈米银粒子与微米银粒子的比例为9:1～1:1，且因主要组成银粒子的尺寸为100nm以下的奈米银粒子，故所使用的热处理温度低于250℃，可避免电子组件在封装制程中受到高温而破坏。
7.本发明采用全新非接触式探针点胶技术，将可避免破坏基板。
8.本发明添加具有特殊设计的有机银离子化合物作为银前驱物，可有效提高烧结后热界面材料层的致密性，提高导热性质与机械性质，并且有效降低材料成本。
综上所述，本发明的一种高功率模块的制备方法，可有效改善现有技术的种种缺点，使用的热接口材料在完成热处理后仅含少量有机物(<1％)，且99％以上为纯银，故长时间使用下将无有机挥发物(VOC)产生，且在高温下(<800℃)相当稳定，不会产生任何介金属化合物，从而不会有因制程(环境)温度而脆化的问题；藉以高纯度银做异质界面接合用材料，其导热系数为锡银铜合金(无铅焊锡)的两倍以上，进而使本发明能更进步、更实用、更符合使用者所须，确已符合发明专利申请的要件，依法提出专利申请。
但以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围。故，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (14)

1.一种高功率模块的制备方法，其特征在于，其至少包含以下步骤：
步骤一：提供一非接触式探针点胶设备，以非接触式探针配合电压量测自动回馈方式，将一银基奈米浆料涂布在一散热基板上，而该银基奈米浆料以重量份计，包含65～70份银基金属粒子、5～10份有机银离子化合物、1-5份有机添加物、以及30～40份第一溶剂；其中该银基金属粒子由作为主银粒子、表面由有机酸保护，且粒径小于100nm的奈米银粒子，和作为副银粒子且粒径为500～1000nm的微米银粒子组成，该奈米银粒子与该微米银粒子的重量比为9:1～1:1，而该非接触式探针点胶设备包含一组传感器，是由重量感测组件、电容及电阻建构而成的自动回馈控制系统，当该探针前端的银基奈米浆料碰触到该散热基板的瞬间，该组传感器量测电容/电阻即会改变，此时非接触式探针点胶设备自动停止下针；
步骤二：将涂布于该散热基板上的银基奈米浆料进行加温，并持温一段时间；
步骤三：将一集成电路芯片放置于该散热基板的银基奈米浆料上方，形成一组合对象；以及
步骤四：利用一热压机对该组合对象进行加压与加热的热压接合制程，烧结该银基奈米浆料，以形成该集成电路 芯片与该散热基板的热接口材料层，其中该热压机的加压压力为1～10MPa，加热到210～300℃，并维持上述压力与温度30～120分钟后冷却至室温。
2.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述散热基板的材质为银、铜、金、或镍的合金，或是材质为陶瓷、或氧化硅的基板上具有银、金、镍、钛的合金或氮化物镀层。
3.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述步骤一是以网版印刷、或刮刀涂布方式将该银基奈米浆料涂布在该散热基板上。
4.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述有机酸为庚酸或丙酸。
5.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述有机银离子化合物为银前驱物，主要含有长碳链脂肪酸的官能基与银离子。
6.如权利要求5所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述有机银离子化合物为2-乙基己酸银。
7.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述有机添加物为乙基纤维素或甘油。
8.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为松油醇。
9.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述银基奈米浆料更包含1-3份第二溶剂，主要为在0～25℃仍为液态的三级醇类与各级酮醇类的有机溶剂。
10.如权利要求9所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述第二溶剂为丙酮醇、二丙酮醇、2-甲基-2-丁醇、或2-丙醇。
11.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述非接触式探针点胶设备更包含一容器以容纳该银基奈米浆料；一制动装置，设于该容器一侧，用以作为推压的动力源；一推进活塞，设于该容器上并与该制动装置电性连接，其一端为活塞头，另一端为连杆，受该制动装置驱动而上、下运动；以及一探针，设于该容器底端，当该探针前端的银基奈米浆料碰触到该散热基板的瞬间，该组传感器量测电容/电阻即会改变，此时设备自动停止下针，完成浆料涂布。
12.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述步骤二是将涂布于该散热基板上的银基奈米浆料加温至55～85℃，持温5～10分钟。
13.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述步骤四热压接合制程后，该集成电路 芯片与该散热基板的热接口材料层90％以上成分为银，孔隙率小于15％，且厚度为0.5～10μm。
14.如权利要求1所述的高功率模块的制备方法，其特征在于，所述步骤四若未对该组合对象加压而仅加热烧结后，该集成电路 芯片与该散热基板的热接口材料层90％以上成分为银，孔隙率小于25％，且厚度为1～15μm。
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