CN113492281A - 一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏及其制备方法和应用 - Google Patents

一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏及其制备方法和应用，本发明选用能够提高微米银片表面活化能的溶剂，使微米银焊膏能够直接与基板界面形成有效连接，进一步通过优选微米银颗粒的形状及其尺寸，有利于其在体系中更好的分散，可以形成致密的烧结，并且本发明的银焊膏无需在铜基板的表面进行镀银、镍等金属化处理，操作简便，所需的烧结温度较低，在170～300℃就可以完成烧结，不需要施加压力，无需额外的粘结剂和额外有机载体，显著降低了生产成本，并且烧结之后的焊接接头具有良好的剪切强度，可以广泛应用于功率器件封装领域或异种铜合金直接连接等领域中。

Description

一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏及其制备方法 和应用
技术领域
本发明涉及电子封装互连材料技术领域，更具体地，涉及一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏及其制备方法和应用。
背景技术
银焊膏具有良好导电、导热和高温稳定性能，银焊膏主要由银颗粒和多种有机溶剂混合直接制备。由于裸铜基板与银焊膏形成的烧结接头强度较低，通常在金属化表面处理后的基板上烧结，如中国专利CN110508970A(申请公布日2019.11.19)中公开了一种三峰体系混合银焊膏，需要对覆铜陶瓷基板表面进行金属化敷镍处理，然后通过银焊膏烧结实现功率半导体芯片与基板的连接，但金属化敷镍处理的过程复杂，并且增加了使用成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有银焊膏在使用时需要在铜基板上敷镍处理，步骤繁琐的缺陷和不足，提供一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，烧结前无需对铜基板进行敷镍预处理，可以直接在裸铜上直接烧结，并且无需辅助压力即可实现低温(170～300℃)烧结，烧结之后的焊接接头具有良好的剪切强度。
本发明的又一目的是提供一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银颗粒65％～95％和有机溶剂5％～35％，其中所述微米银颗粒包括直径1～25μm，厚度为0.1～2μm的微米银片，所述有机溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯、二乙二醇二乙醚、丙三醇、乙酸乙酯、乙二醇、石油醚中的一种或几种。
本发明提供的微米银焊膏，选用能够提高微米银片表面活化能的有机溶剂，使微米银焊膏能够直接与基板界面形成有效连接，进一步通过选用特定形状和尺寸的微米银颗粒，有利于其在体系中更好的分散，通过后续烧结后可以形成致密的烧结接头，无需额外的粘结剂和有机载体，因此本发明的银焊膏无需在铜基板的表面进行敷镍等金属化处理，操作简便，所需的烧结温度较低，在170～300℃就可以完成烧结，也不需要额外施加压力，显著降低了生产成本，并且烧结之后的焊接接头具有良好的剪切强度。
优选地，所述微米银颗粒的质量百分比为75％～95％。见实施例1～9。
优选地，所述有机溶剂的质量百分比为5％～25％。见实施例1～9。
优选地，所述微米银片的直径为1～20μm，厚度0.1～1μm。见实施例1～9。
优选地，所述微米银颗粒还包括直径为1～50μm的微米银球。见实施例1～7。
更优选地，所述微米银颗粒还包括直径为1～15μm的微米银球。见实施例1～5。
烧结时微米银片和微米银球在接头的内部相互补充，有利于形成致密的烧结部位。
优选地，所述微米银片和微米银球的质量比为50～90：5～35。见实施例1～7。
优选地，所述有机溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯、二乙二醇二乙醚、乙酸乙酯、乙二醇中的一种或几种。见实施例2、4～9。
本发明保护上述微米银焊膏的制备方法，包括如下步骤：将微米银颗粒与溶剂均匀混合后，在行星搅拌机中将混合的微米银颗粒与有机溶剂搅拌均匀即得微米银焊膏。
本发明保护上述微米银焊膏在功率器件封装领域或异种铜合金直接连接领域中的应用。
优选地，将微米银焊膏置于需要焊接的材料上，在170～300℃烧结1～60min，升温速率为1～100℃/min。见实施例1～9。
优选地，所述材料为裸铜或铜合金基板。见实施例1～9。
优选地，所述烧结的温度为180～220℃。见实施例5、7和9。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明选用能够提高微米银片表面活化能的有机溶剂，使微米银焊膏能够直接与基板界面形成有效连接，进一步通过优选微米银颗粒的形状及其尺寸，有利于其在体系中更好的分散，可以形成致密的烧结部位，并且本发明的银焊膏无需在铜基板的表面进行敷镍等金属化处理，操作简便，所需的烧结温度较低，在170～300℃就可以完成烧结，不需要施加压力，无需额外的粘结剂和额外有机载体，显著降低了生产成本，并且烧结之后的焊接接头具有良好的剪切强度，可以广泛应用于功率器件封装领域或异种材料连接等领域中。
附图说明
图1为实施例1制得的在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏烧结后焊接接头的横截面微观形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银片70％，微米银球19％，溶剂乙二醇11％，其中微米银片直径为15μm，厚度为1μm；微米银球直径为5μm。
上述低温无压裸铜基板直接焊接的微米银焊膏的制备方法，包括如下步骤：
将微米银颗粒与乙二醇置于行星搅拌机中，真空模式搅拌6min，搅拌均匀，制得在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏。
实施例2
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银片90％，微米银球5％，溶剂乙酸乙酯5％制成；其中微米银片直径为10μm，厚度为0.5μm；微米银球直径为10μm。
上述低温无压裸铜基板直接焊接的微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
实施例3
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银片86％，微米银球5％，溶剂丙三醇9％制成；其中微米银片直径为5μm，厚度为0.1μm；微米银球直径为5μm。
上述低温无压裸铜基板直接焊接的微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
实施例4
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银片80％，微米银球10％，溶剂乙二醇7％，二乙二醇二乙醚3％制成；其中微米银片直径为10μm，厚度为1μm；微米银球直径为15μm。
上述低温无压裸铜基板直接焊接的微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
实施例5
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银片50％，微米银球35％，溶剂丙二醇甲醚醋酸酯15％制成；其中微米银片直径为3μm，厚度为0.1μm；微米银球直径为5μm。
上述低温无压裸铜基板直接焊接的微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
实施例6
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银片55％，微米银球25％，溶剂丙二醇甲醚醋酸酯10％，二乙二醇二乙醚10％制成；其中微米银片直径为5μm，厚度为0.5μm；微米银球直径为30μm。
上述低温无压裸铜基板直接焊接的微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
实施例7
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，包括按照质量百分比计算的微米银片74％，微米银球6％，溶剂二乙二醇二乙醚10％，丙三醇10％制成；其中微米银片直径为10μm，厚度为0.5μm；微米银球直径为25μm。
上述低温无压裸铜基板直接焊接的微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
实施例8
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏与实施例1相同，区别在于不含有微米银球。
实施例9
一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏与实施例4相同，区别在于后续的烧结温度为200℃。
对比例1
本对比例的微米银焊膏与实施例1相同，区别在于，将溶剂换为石油醚。上述微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例的微米银焊膏与实施例1相同，区别在于，将微米银片替换为直径为20μm的银片。上述微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
对比例3
本对比例的微米银焊膏与实施例1相同，区别在于，将微米银片替换为直径为15μm的微米银球。上述微米银焊膏的制备方法与实施例1相同。
应用
将上述各实施例和对比例制得的微米银焊膏置于需要焊接的镀银硅芯片、覆铜陶瓷基板之间，按照表1的烧结参数进行无压烧结。
表1各实施例和对比例制得的微米银焊膏的应用
Figure BDA0003088259200000051
性能测试
1、测试方法
焊接接头的剪切强度，采用Try Precision公司的MFM1200推拉力试验机在室温下进行剪切强度测试，测试温度为10um/s。
2、测试结果
表2各实施例和对比例制得的微米银焊膏的应用性能测试结果
焊接接头的剪切强度(MPa)
实施例1 22.4
实施例2 28.6
实施例3 30.3
实施例4 32.2
实施例5 21.5
实施例6 20.4
实施例7 21.2
实施例8 20.7
实施例9 20.1
对比例1 16.5
对比例2 14.6
对比例3 12.1
由表2可以看出，本发明制得微米银焊膏制备的烧结后的焊接接头具有较高的剪切强度，说明与铜界面处产生了紧密连接，其中实施例4中采用了两种直径接近的微米银片和微米银球的组合，使烧结接头获得了较高的致密度，剪切强度提高最为明显；对比例1将实施例1中溶剂替换为石油醚，由于表面活化能不能被提高，烧结驱动力下降，焊接接头剪切强度有所下降；对比例2由于银颗粒粒径的增加，比表面能减小，银焊膏的烧结活性下降，焊接接头的剪切强度下降；对比例3中将混合银粉变为单一尺寸的纳米银球，失去了片状银粉的基体骨架作用，焊接接头的剪切强度下降。以上结果表明，本发明的低温无压在裸铜基板直接焊接的微米银焊膏可实现直接在铜板上进行烧结焊接，无需对焊接的表面进行敷镍处理，无需额外施加压力，在低温下就可以完成烧结，并且可以获得良好的焊接效果，焊接接头具有较高的剪切强度，具有低能耗、低成本等特点。
由图1可以看到，本发明实施例1的微米银焊膏在烧结后，上侧为镀银硅片，下侧为覆铜陶瓷基板，中间为焊接后接头内部的多孔银组织，从图中可以看出，银与铜界面处产生了紧密连接，表明形成了可靠的焊接接头，并且银铜有一定程度的相互扩散。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在裸铜上低温无压直接烧结的微米银焊膏，其特征在于，包括按照质量百分比计算的微米银颗粒65％～95％和有机溶剂5％～35％，其中所述微米银颗粒包括直径1～25μm，厚度为0.1～2μm的微米银片，所述有机溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯、二乙二醇二乙醚、丙三醇、乙酸乙酯、乙二醇、石油醚中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述微米银焊膏，其特征在于，所述微米银颗粒的质量百分比为75％～95％。
3.根据权利要求1所述微米银焊膏，其特征在于，所述有机溶剂的质量百分比为5％～25％。
4.根据权利要求1所述微米银焊膏，其特征在于，所述微米银片的直径为1～20μm，厚度0.1～1μm。
5.根据权利要求1所述微米银焊膏，其特征在于，所述微米银颗粒还包括直径为1～50μm的微米银球。
6.根据权利要求5所述微米银焊膏，其特征在于，所述微米银片和微米银球的质量比为50～90：5～35。
7.权利要求1～6任一项所述微米银焊膏的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将微米银颗粒与溶剂混合均匀后即得微米银焊膏。
8.权利要求1～6任一项所述微米银焊膏在功率器件封装领域或异种铜合金直接连接领域中的应用。
9.根据权利要求8所述应用，其特征在于，将微米银焊膏置于需要焊接的铜基板材料上，在170～300℃烧结1～60min，升温速率为1～100℃/min。
10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述烧结的温度为180～220℃。
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