CN114473110B - 一种抗电迁移抗氧化的焊膏及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊膏及其应用，更具体地公开了一种抗电迁移抗氧化的焊膏及其应用，属于器件焊接技术领域。其中，焊膏包括银纳米颗粒、铜纳米颗粒、锡球和有机溶剂载体。本发明公开了上述焊膏在电子器件封装互连结构中的应用，电子器件封装互连结构包括芯片、基底以及用于连接所述基底和芯片的连接层，连接层是采用所述焊膏通过烧结形成。本发明能够很好地应用于低温焊接高温服役的电子封装领域，该焊膏烧结形成的连接层的连接界面的结合度良好且均匀致密，在225℃下剪切强度就能达到45.8MPa以上，具有很高的剪切强度，能够很好地应用于电子器件的封装互连。
Description
技术领域
本发明涉及器件焊接技术领域，尤其涉及一种焊膏及其应用，更具体涉及一种抗电迁移抗氧化的焊膏及其应用。
背景技术
随着自动驾驶、航空航天、高铁和油气勘探等的发展，其相关工艺对芯片的要求也越来越高，传统的硅基芯片已经不能满足需求，所以急需一种耐高温、耐高压、且能适应高电流密度和高开关频率的新型芯片。为了解决这个问题，大多数的研究人员把目光投向了宽禁隙半导体(例如SiC和GaN)。因为它们能很好的满足现阶段人们对高性能芯片的需求。然而上述所提到的高温度、高电流密度等工作环境通常意味着其工作温度会大于250℃，传统的焊料如锡铅焊料的熔点常常在250℃以下，故那些以传统焊料为互连层的芯片在这个环境下工作会因为焊点融化而失效。所以现阶段急需一种材料来满足高温提出的要求并实现稳定的服役。
目前，以纳米材料作为填充的焊料逐渐的引起科研人员的注意。纳米材料具有非常小的尺寸，其小尺寸会给其带来许多优势。首先小尺寸会产生一些量子效应，然后小尺寸意味着更大的比表面积，在烧结过程中不必要达到其熔点也能够利用表面积缩小所带来的驱动力来实现原子间的扩散，从而实现烧结互连的效果。
金属银和金属铜具有很高的熔点，以纳米银或者铜为填充材料的焊料能很好的实现烧结互连的效果，它们一旦烧结完成，高熔点会赋予其非常稳定的性能。但是金属层在服役的过程中会发生严重的电迁移现象，导致空洞的生成，进而减弱芯片的稳定性。金属铜的抗电迁移的能力较强，所以可以将铜颗粒与银颗粒混合后进行烧结。利用烧结后的金属铜阻碍金属银的电迁移。但是铜在烧结过程中非常容易被氧化。被氧化后的铜颗粒表面会形成一层氧化物，铜氧化物会阻碍烧结。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种焊膏及其应用，以银纳米颗粒，铜纳米颗粒和锡球为填充，以解决现有技术中焊膏的电迁移、氧化和烧结温度高的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明第一个方面提供一种焊膏，所述焊膏包括银纳米颗粒、铜纳米颗粒、锡球和有机溶剂载体。
在本发明的技术方案中，所述银纳米颗粒的粒径为20nm～700nm；在某些具体的实施例中，所述银纳米颗粒的粒径为20nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm或它们之间的任意数值的粒径。
在本发明的技术方案中，所述铜纳米颗粒的粒径为20nm～400nm；在某些具体的实施例中，所述铜纳米颗粒的粒径为20nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm或它们之间的任意数值的粒径。
在本发明的技术方案中，所述锡球的粒径为0.05mm～2mm；在某些具体的实施例中，所述锡球的粒径为0.05mm、0.1mm、0.15mm、2mm或它们之间的任意数值的粒径。
在本发明的技术方案中，所述有机溶剂载体选自乙二醇、甘油、二甘醇、三甘醇、α-萜品醇、β-萜品醇、γ-萜品醇和δ-萜品醇中的任意一种或两种以上的混合物。
在本发明的技术方案中，所述银纳米颗粒、铜纳米颗粒和所述锡球的质量之比为(2～10)：(1～6)：1。
在本发明的技术方案中，所述银纳米颗粒、铜纳米颗粒、锡球的总质量与有机载体的质量比为(3～10)：1。
在某些具体的实施例中，所述银纳米颗粒、铜纳米颗粒、锡球的总质量与有机载体的质量比为3：1、4：1、5：1、6：1、7：1、8：1、9：1、10：1或它们之间的任意比值。
在本发明的技术方案中，在焊膏中添加锡球利用瞬态液相烧结工艺来解决纳米铜颗粒在烧结过程中被氧化的问题。在烧结过程中：①锡与铜作用生成金属间化合物从而保证铜颗粒不会被氧化；②铜颗粒均匀地掺杂在银颗粒内部防止电迁移现象的发生；③由于纳米银颗粒和纳米铜颗粒的小尺寸效应，它们能够在比较低的温度实现烧结，进而使得芯片与基底之间形成高稳定性的互连。而烧结之后的银和铜都具有非常高的熔点，这又满足了高温服役的要求。所以本发明提供的焊膏实现了抗电迁移、抗氧化，且具有较低的烧结温度，满足高温服役和高导热等。
本发明第二方面提供了上述焊膏在电子器件封装互连结构中的应用，所述电子器件封装互连结构包括芯片、基底以及用于连接所述基底和芯片的连接层，所述连接层是采用如上述焊膏通过烧结形成。
作为优选地实施方式，所述烧结的加热温度为130℃～300℃。
在某些具体的实施例中，所述烧结的加热温度为130℃、150℃、170℃、200℃、230℃、250℃、270℃、300℃或它们之间的任意温度。
作为优选地实施方式，所述烧结为施加压力的烧结；
优选地，所述压力为0.3MPa～20MPa；
在某些具体的实施例中，所述压力为0.3MPa、1MPa、3MPa、5MPa、7MPa、10MPa、13MPa、15MPa、17MPa、20MPa或它们之间的任意压力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的焊膏，包含了纳米银颗粒、纳米铜颗粒、锡球和有机溶剂载体，其烧结连接的温度为130℃～300℃，远远低于块状银的熔点(961.8℃)，能够很好地应用于低温焊接高温服役的电子封装领域，该焊膏烧结形成的连接层的连接界面的结合度良好且均匀致密，在225℃下剪切强度就能达到45.8MPa以上，具有较高的剪切强度，能够很好地应用于电子器件的封装互连。
本发明焊膏的制备方法，其具有工艺流程简单、工艺条件易于实现的优点，有利于大规模的工业化应用。
附图说明
图1是本发明实施例1～5中的封装互连结构的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的连接层的剪切断裂面的SEM图；
图3是本发明实施例2中的连接层的剪切断裂面的SEM图；
图4是本发明实施例3中的连接层的剪切断裂面的SEM图；
图5是本发明实施例4中的连接层的剪切断裂面的SEM图；
图6是本发明实施例5中的连接层的剪切断裂面的SEM图。
具体实施方式
下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供的焊膏，包含了纳米银颗粒、纳米铜颗粒、锡球和有机溶剂载体，其烧结连接的温度为130℃～300℃，远远低于块状银的熔点(961.8℃)，能够很好地应用于低温焊接高温服役的电子封装领域，该焊膏烧结形成的连接层的连接界面的结合度良好且均匀致密，在225℃下剪切强度就能达到45.8MPa以上，具有很高的剪切强度，能够很好地应用于电子器件的封装互连。本发明实施例提供的纳米银焊膏的制备方法，其具有工艺流程简单、工艺条件易于实现的有点，有利于大规模的工业化应用。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
下述实施例中：
实施例1
银纳米颗粒粒径为20nm、铜纳米颗粒粒径为100nm和锡球粒径为2mm按照质量比5：1：1进行混合。然后将得到的金属颗粒混合物与乙二醇按照质量比为4：1在混料机中混合30min，制备获得焊膏。
将以上制备得到的焊膏应用于电子器件的封装互连结构中。具体地，如图1所示，封装互连结构中的芯片10和基底20均选用DBC基板。其制备过程如下：
首先，对DBC基板进行处理：将芯片10和基底20在乙醇中超声洗涤3min除去表面的杂质并晾干；
然后，将本实施例制得的焊膏均匀涂覆在DBC基板的连接面上再相互堆叠，得到芯片/焊膏涂层/基底的“三明治”结构；
最后，将以上芯片/焊膏涂层/基底的堆叠结构在压力为0.3MPa，烧结温度225℃下进行低温烧结焊接，压力保持时间为20min，焊膏涂层被烧结形成连接层30，冷却后获得如图1所示的封装互连结构。
经过测试，本实施例的焊膏烧结形成的连接层30冷却后测得剪切力为45.8MPa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)，本实施例中的连接层的剪切断裂面的SEM图像见图2。
需要说明的是，对连接层进行剪切断裂测试具体是：将样品固定于剪切力测试仪的固定夹具上，控制测试仪以100微米每秒的速度推动压缩所述样品进行剪切断裂测试，在样品断裂时从剪切力测试仪中读取获得对应的剪切力。
实施例2
银纳米颗粒粒径为150nm，铜纳米颗粒粒径为200nm粒和锡球粒径为0.05mm按照质量比9：2：1进行混合。然后将得到的金属颗粒混合物与乙二醇按照质量比为6：1在混料机中混合30min，制备获得焊膏。
将以上制备得到的焊膏应用于电子器件的封装互连结构中。具体地，如图1所示，封装互连结构中的芯片10和基底20均选用DBC基板。其制备过程如下：
首先，对DBC基板进行处理：将芯片10和基底20在乙醇中超声洗涤3min除去表面的杂质并晾干；
然后，将本实施例制得的焊膏均匀涂覆在DBC基板的连接面上再相互堆叠，得到芯片/焊膏涂层/基底的“三明治”结构；
最后，将以上芯片/焊膏涂层/基底的堆叠结构在压力为15MPa，烧结温度180℃下进行低温烧结焊接，压力保持时间为20min，焊膏涂层被烧结形成连接层30，冷却后获得如图1所示的封装互连结构。
经过测试，本实施例的焊膏烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为36.2MPa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)，本实施例中的连接层的剪切断裂面的SEM见图3。
需要说明的是，对连接层进行剪切断裂测试具体是：将样品固定于剪切力测试仪的固定夹具上，控制测试仪以100微米每秒的速度推动压缩所述样品进行剪切断裂测试，在样品断裂时从剪切力测试仪中读取获得对应的剪切力。
实施例3
银纳米颗粒粒径为700nm，铜纳米颗粒粒径为100nm和锡球粒径为1mm按照质量比3：5：1进行混合。然后将得到的金属颗粒混合物与乙二醇按照质量比为4：1在混料机中混合30min，制备获得焊膏。
将以上制备得到的焊膏应用于电子器件的封装互连结构中。具体地，如图1所示，封装互连结构中的芯片10和基底20均选用DBC基板。其制备过程如下：
首先，对DBC基板进行处理：将芯片10和基底20在乙醇中超声洗涤3min除去表面的杂质并晾干；
然后，将本实施例制得的焊膏均匀涂覆在DBC基板的连接面上再相互堆叠，得到芯片/焊膏涂层/基底的“三明治”结构。
最后，将以上芯片/焊膏涂层/基底的堆叠结构在压力为1MPa，烧结温度275℃下进行低温烧结焊接，压力保持时间为20min，焊膏涂层被烧结形成连接层30，冷却后获得如图1所示的封装互连结构。
经过测试，本实施例的焊膏烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为53.9MPa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)，本实施例中的连接层的剪切断裂面的SEM见图4。
需要说明的是，对连接层进行剪切断裂测试具体是：将样品固定于剪切力测试仪的固定夹具上，控制测试仪以100微米每秒的速度推动压缩所述样品进行剪切断裂测试，在样品断裂时从剪切力测试仪中读取获得对应的剪切力。
实施例4
银纳米颗粒粒径为350nm，铜纳米颗粒粒径为100nm和锡球粒径为0.05mm按照质量比8：3：1进行混合。然后将得到的金属颗粒混合物与乙二醇按照质量比为9：1在混料机中混合30min，制备获得焊膏。
将以上制备得到的焊膏应用于电子器件的封装互连结构中。具体地，如附图1所示，封装互连结构中的芯片10和基底20均用DBC基板。其制备过程如下：
首先，对对DBC基板进行处理：将芯片10和基底20在乙醇中超声洗涤3min除去其表面的杂质并晾干；
然后，将本实施例制得的焊膏均匀涂覆在DBC基板的连接面上再相互堆叠，得到芯片/焊膏涂层/基底的“三明治”结构。
最后，将以上芯片/焊膏涂层/基底的堆叠结构在压力为20MPa，烧结温度130℃下进行低温烧结焊接，压力保持时间为20min，焊膏涂层被烧结形成连接层30，冷却后获得如图1所示的封装互连结构。
经过测试，本实施例的焊膏烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为16.1MPa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)，本实施例中的连接层的剪切断裂面的SEM见图5。
需要说明的是，对连接层进行剪切断裂测试具体是：将样品固定于剪切力测试仪的固定夹具上，控制测试仪以100微米每秒的速度推动压缩所述样品进行剪切断裂测试，在样品断裂时从剪切力测试仪中读取获得对应的剪切力。
实施例5
银纳米颗粒粒径为400nm，铜纳米颗粒粒径50nm和锡球粒径0.05mm按照质量比3：5：1进行混合。然后将得到的金属颗粒混合物与乙二醇按照质量比为4：1在混料机中混合30min，制备获得焊膏。
将以上制备得到的焊膏应用于电子器件的封装互连结构中。具体地，如图1所示，封装互连结构中的芯片10和基底20均选用为DBC基板。其制备过程如下：
首先，对DBC基板进行处理：将芯片10和基底20在乙醇中超声洗涤3min除去其表面的杂质并晾干。
然后，将本实施例制得的焊膏均匀涂覆在DBC基板的连接面上再相互堆叠，得到芯片/焊膏涂层/基底的“三明治”结构。
最后，将以上芯片/焊膏涂层/基底的堆叠结构在压力为5MPa，烧结温度300℃下进行低温烧结焊接，压力保持时间为20min，焊膏涂层被烧结形成连接层30，冷却后获得如图1所示的封装互连结构。
经过测试，本实施例的焊膏烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为49.6MPa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)，本实施例中的连接层的剪切断裂面的SEM见图6。
需要说明的是，对连接层进行剪切断裂测试具体是：将样品固定于剪切力测试仪的固定夹具上，控制测试仪以100微米每秒的速度推动压缩所述样品进行剪切断裂测试，在样品断裂时从剪切力测试仪中读取获得对应的剪切力。
从图2、图3、图4和图6，各实施例的连接层的剪切断面形貌可以看出：
实施例1、2、3、5(图2、3、4、6)的断裂面SEM图表现出非常均匀致密的结构，并且可以观察到非常多的韧性断裂点。这说明烧结层与基底和芯片之间的连接强度非常大。而实施例4(图5)中的断裂面存在较多的裂痕和孤立的纳米颗粒。这证明它们没有被很好的烧结在一起。所以它们表现出相对较低的剪切强度。造成这种现象的可能原因是实施例4的烧结温度太低，原子扩散的速度受到限制，导致烧结不充分。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种焊膏，其特征在于，所述焊膏包括银纳米颗粒、铜纳米颗粒、锡球和有机溶剂载体；
所述银纳米颗粒的粒径为20nm～700nm；
所述铜纳米颗粒的粒径为20nm～400nm；
所述锡球的粒径为0.05mm～2mm；
所述银纳米颗粒、铜纳米颗粒和所述锡球的质量之比为(2～10)：(1～6)：1；
所述银纳米颗粒、铜纳米颗粒、锡球的总质量与有机载体的质量比为(3～10)：1。
2.根据权利要求1所述的焊膏，其特征在于，所述有机溶剂载体选自乙二醇、甘油、二甘醇、三甘醇、α-萜品醇、β-萜品醇、γ-萜品醇和δ-萜品醇中的任意一种或两种以上的混合物。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的焊膏在电子器件封装互连结构中的应用，所述电子器件封装互连结构包括芯片、基底以及用于连接所述基底和芯片的连接层，其特征在于，所述连接层是采用权利要求1-2任一项所述的焊膏通过烧结形成。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述烧结的加热温度为130℃～300℃。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述烧结为施加压力的烧结；
所述压力为0.3MPa～20MPa。
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