CN114133902A - 一种低温烧结银胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温烧结银胶及其制备方法，低温烧结银胶的组分和质量百分比如下：60‑80％的片状银粉，10‑20％的纳米银粉，2.0‑5.0％的柔性环氧树脂，2.0‑5.0％的酸酐类固化剂，5.0‑15.0％的溶剂。低温烧结银胶的制备方法包括如下步骤：先把树脂、固化剂和溶剂混合，然后加入片状银粉搅拌混合，再加入纳米银粉，混合后通过三辊研磨机分散10次，最后室温真空脱泡。本发明的银胶可以在180℃无压条件下烧结，烧结后对无金属镀层的裸硅基材接合强度大于15MPa，具有高热导率和高可靠性，尤其适合于解决无金属镀层裸硅基材电子器件封装的散热问题。

Description

一种低温烧结银胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子器件封装技术领域，具体是一种低温烧结银胶及其制备方法。
背景技术
随着电子器件逐渐朝着小体积、多功能、高可靠性等方向发展，对电子封装界面互联材料提出了更高的要求，比如要求使用温度高(超过200℃)、电流密度大等，传统的锡铅钎料和无铅钎料无法满足这样的使用条件。含有纳米银的低温烧结银胶，在烧结后可以承受500℃以上的工作温度，能够有效避免电子器件在后续加工和使用过程中的接头重熔问题，并且银具有很好的导电和导热性能，因此，低温烧结银胶特别适合于大功率电子器件的封装。但是，低温烧结银胶依然存在一些问题。
首先，大多数的低温烧结银胶，其烧结温度普遍都在200℃以上，不少甚至超过了250℃，而市面上很多印刷电路板等电子材料承受不了太高的烧结温度。不仅如此，过高的烧结温度会导致银胶和基板以及芯片之间因热膨胀系数失配带来的内应力急剧增大，从而增加烧结接头的失效概率，严重影响银胶烧结接头的可靠性。
其次，为了改善银胶的烧结性能，降低银胶烧结温度，很多银胶中纳米银粉的含量很高甚至只含有纳米银粉，而纳米银粉具有很高的表面能，在烧结过程中可能发生剧烈的收缩，存在极大的内应力，容易在烧结接头内部及表面产生裂纹，这会大幅度降低烧结接头的导热性能、电学性能和力学性能。
最后，市面上以及报道中的低温烧结银胶，一般只对金属或有金属镀层的基材有很好的接合强度，而对无金属镀层的裸硅基材的接合强度很差甚至无法接合，这就会限制低温烧结银胶的应用范围。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种低温烧结银胶及其制备方法。所述低温烧结银胶可以在180℃无压条件下烧结，烧结后对无金属镀层的裸硅基材结合强度大于15MPa，具有高热导率和高可靠性，尤其适合于解决无金属镀层裸硅基材电子器件封装的散热问题。
为实现本发明所述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种低温烧结银胶，所述低温烧结银胶的组分和质量百分比如下：60-80％的片状银粉，10-20％的纳米银粉，2.0-5.0％的柔性环氧树脂，2.0-5.0％的酸酐类固化剂，5.0-15.0％的溶剂。
作为优选，所述片状银粉的震实密度大于5.5g/cm3，D50大于5.0μm且D100小于15μm，比表面积小于0.5m2/g。
作为优选，所述纳米银粉的比表面积大于30m2/g而且在180℃无压条件下可以烧结。
作为优选，所述柔性环氧树脂为聚醚改性双酚A型环氧树脂、聚氨酯改性双酚A型环氧树脂、二聚酸改性双酚A型环氧树脂中的一种或几种混合。
作为优选，所述酸酐固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐、十二烯基丁二酸酐中的一种或几种混合。
作为优选，所述溶剂为松油醇、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丁醚中的一种或几种混合。
所述低温烧结银胶的制备方法，包括如下步骤：先把树脂、固化剂和溶剂搅拌混合，然后加入片状银粉搅拌混合，再加入纳米银粉搅拌混合，所有的搅拌混合均采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中应控制银胶温度不超过40℃，所有组分搅拌混合后通过三辊研磨机分散10次，最后室温真空脱泡3min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过在银胶中添加柔性环氧树脂和酸酐固化剂，可以有效降低银胶固化和烧结过程中产生的收缩和内应力，避免烧结接头内部和表面产生裂纹，提高烧结接头的电学性能、力学性能、导热性能以及可靠性。
(2)采用高震实密度的片状银粉和高烧结活性的纳米银粉搭配，不仅能够降低银胶的烧结温度，使银胶可以在180℃无压条件下烧结，而且高震实密度的片粉堆积致密，银粉颗粒间的整体缝隙率较小，再用纳米银粉填充缝隙，当纳米银粉在缝隙中烧结后，可以获得更加致密的导电和导热网络，从而进一步提升烧结接头的性能。
(3)本发明中用到的纳米银粉，比表面积超过30m2/g，能够解决高震实密度银粉吸油量低导致银胶流变学性能差的问题，可以减少使用甚至不使用难以分解的高分子流变助剂调整银胶的流变学性能，进而提高银胶的低温烧结性能。
具体实施方式
为了更好地说明本发明，便于理解本发明的目的、优点和技术方案，以下结合具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
(1)称取3.0g聚醚改性双酚A环氧树脂EP4000(日本艾迪科株式会社制造)，3.0g甲基六氢邻苯二甲酸酐，5.0g乙二醇丁醚和9.0g二乙二醇丁醚，放入搅拌罐中，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min；
(2)在(1)中加入68g片状银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(3)在(2)中加入12g纳米银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(4)把(3)用三辊研磨机分散10次，分散过程中控制温度在40℃以下；
(5)把分散好的银胶放入真空脱泡机中，在室温下真空脱泡3min即可。
实施例2
(1)称取3.0g聚醚改性双酚A环氧树脂EP4000(日本艾迪科株式会社制造)，3.0g十二烯基丁二酸酐，5.0g乙二醇丁醚和13.0g二乙二醇丁醚，放入搅拌罐中，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min；
(2)在(1)中加入62g片状银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(3)在(2)中加入14g纳米银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(4)把(3)用三辊研磨机分散10次，分散过程中控制温度在40℃以下；
(5)把分散好的银胶放入真空脱泡机中，在室温下真空脱泡3min即可。
实施例3
(1)称取3.0g聚醚改性双酚A环氧树脂EP4000(日本艾迪科株式会社制造)，3.0g甲基六氢邻苯二甲酸酐，16.0g松油醇，放入搅拌罐中，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min；
(2)在(1)中加入66g片状银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(3)在(2)中加入12g纳米银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(4)把(3)用三辊研磨机分散10次，分散过程中控制温度在40℃以下；
(5)把分散好的银胶放入真空脱泡机中，在室温下真空脱泡3min即可。
对比例1：
(1)称取3.0g聚醚改性双酚A环氧树脂EP4000(日本艾迪科株式会社制造)，3.0g十二烯基丁二酸酐，2.0g乙二醇丁醚和5.0g二乙二醇丁醚，放入搅拌罐中，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min；
(2)在(1)中加入87g片状银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(3)把(2)用三辊研磨机分散10次，分散过程中控制温度在40℃以下；
(4)把分散好的银胶放入真空脱泡机中，在室温下真空脱泡3min即可。
对比例2：
(1)称取3.0g普通双酚A型环氧树脂NEPL-128E(南亚塑胶工业股份有限公司制造)，3.0g甲基六氢邻苯二甲酸酐，16.0g松油醇，放入搅拌罐中，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min；
(2)在(1)中加入66g片状银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(3)在(2)中加入12g纳米银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
(4)把(3)用三辊研磨机分散10次，分散过程中控制温度在40℃以下；
(5)把分散好的银胶放入真空脱泡机中，在室温下真空脱泡3min即可。
对以上实施例和对比例中制备的银胶，进行性能测试：
(1)体积电阻率：把银胶在载玻片上涂布成长50mm宽5mm厚30μm的线条，放入180℃烘箱烧结90min，取出后冷却到室温，用低电阻测试仪测定线条的电阻并计算体积电阻率；
(2)剪切强度：把银胶涂布在镀银铜板上，厚度30μm，在银胶上面放置1mm×1mm无金属镀层的裸硅芯片，然后放入180℃烘箱无压烧结90min，最后采用推力机在室温下进行剪切强度测试；
(3)烧结颈观察：把银胶涂布在铜箔上，放入180℃烘箱烧结90min，取出冷却后用扫描电镜观察是否出现烧结颈；
各实施例和对比例银粉性能测试结果如表1所示。
体积电阻率(μΩ·cm) 剪切强度(MPa) 烧结颈
实施例1 5.8 19.7 较多
实施例2 5.2 18.6 较多
实施例3 5.5 20.3 较多
比较例1 12.8 24.1 无
比较例2 10.5 17.6 较少
表1
与实施例1-3相比，对比例1没有添加纳米银粉，银胶没有烧结，对比例2采用刚性较大的普通双酚A型环氧树脂制备银胶，尽管银胶有烧结，但烧结过程中内应力较大导致裂纹较多，使得电阻率明显偏高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低温烧结银胶，其特征在于：所述低温烧结银胶的组分和质量百分比如下：60-80％的片状银粉，10-20％的纳米银粉，2.0-5.0％的柔性环氧树脂，2.0-5.0％的酸酐类固化剂，5.0-15.0％的溶剂。
2.根据权利要求1所述的一种低温烧结银胶，其特征在于：所述片状银粉的震实密度大于5.5g/cm3，D50大于5.0μm且D100小于15μm，比表面积小于0.5m2/g。
3.根据权利要求1所述的一种低温烧结银胶，其特征在于：所述纳米银粉的比表面积大于30m2/g而且在180℃无压条件下可以烧结。
4.根据权利要求1所述的一种低温烧结银胶，其特征在于：所述柔性环氧树脂为聚醚改性双酚A型环氧树脂、聚氨酯改性双酚A型环氧树脂、二聚酸改性双酚A型环氧树脂中的一种或几种混合。
5.根据权利要求1所述的一种低温烧结银胶，其特征在于：所述酸酐固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐、十二烯基丁二酸酐中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1所述的一种低温烧结银胶，其特征在于：所述溶剂为松油醇、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丁醚中的一种或几种混合。
7.根据权利要求1所述的一种低温烧结银胶，其特征在于：银胶可以在180℃无压条件下烧结，烧结后对无金属镀层的裸硅基材接合强度大于15MPa。
8.一种低温烧结银胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按照低温烧结银胶相应组分的质量百分比称取溶剂、环氧树脂和酸酐固化剂，放入搅拌罐中，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min；
S2、在搅拌罐中加入相应质量百分比的片状银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
S3、在搅拌罐中加入相应质量百分比的纳米银粉，采用自转公转搅拌机以2000rpm搅拌2min，搅拌过程中控制温度在40℃以下；
S4、将搅拌罐中原料通过三辊研磨机分散10次，分散过程中控制温度在40℃以下；
S5、将分散好的银胶放入真空脱泡机中，室温真空脱泡3min即可。
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