CN115938642B - 一种低温烧结导电银浆及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温烧结导电银浆，所述低温烧结导电银浆的由银粉和混合溶剂组成；所述银粉的平均粒径为1.3～1.8μm，其中，粒径为0.5～1.5μm的占比为50％～55％，粒径为1.5～3μm的占比为35％～40％，粒径为3～5μm的占比为5％～10％；所述混合溶剂由20～80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与20～80wt％松油醇组成；银粉与混合溶剂的质量比为8～9:1～2。本发明导电银浆可以在160℃进行无压低温烧结，烧结结构具有优良的电‑力学，可以满足高温大功率芯片贴装需求及其他低温互连‑高温应用场景的需求。

Description

一种低温烧结导电银浆及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及电子浆料技术领域，尤其是涉及一种低温烧结导电银浆及其制备方法与应用。

背景技术

银烧结技术被认为是实现功率芯片耐热贴装的最有前途的技术之一，相比于传统钎料互连技术，其不仅互连强度高而且导电导热性能好。

常用的纳米银烧结技术需要加入大量分散剂、粘结剂、稀释剂等多种添加剂来保证纳米银浆的印刷性和保存性，且纳米烧结互连通常180℃以上的温度及一定的辅助压力(>0.5MPa)。次外，由于纳米银颗粒合成较为复杂，纳米银浆的商业成本一直处于高位，不利于大规模应用。微米银浆由微米银粉和一些有机溶剂混合制备而成的，相比于纳米银烧结技术，微米银烧结技术成本低，但是其烧结温度相对较高，通常需要200℃以上的温度来提高烧结驱动力。复合银浆是将不同尺寸的颗粒、银粉和一些有机溶剂混合制备而成，由于不同尺寸颗粒和银粉的填补作用，有助于降低烧结结构的电阻率。但是，复合银浆的烧结温度依然需要200℃以上，施加一定的辅助压力可以降低烧结温度。

综上，在无压力辅助的情况下，银烧结技术的实施温度通常需要200℃以上，这个温度限制了银烧结技术在一些不能整体承受高温但局部耐高温、需要高导热属性的功率模块中的应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种低温烧结导电银浆及其制备方法与应用。本发明导电银浆可以在160℃进行无压低温烧结，烧结结构具有优良的电-力学，可以满足高温大功率芯片贴装需求及其他低温互连-高温应用场景的需求。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一个目的是提供一种低温烧结导电银浆，所述低温烧结导电银浆的由银粉和混合溶剂组成；

所述银粉的平均粒径为1.3～1.8μm，其中，粒径为0.5～1.5μm的占比为50％～55％，粒径为1.5～3μm的占比为35％～40％，粒径为3～5μm的占比为5％～10％；

所述混合溶剂由20～80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯(DPMA)与20～80wt％松油醇组成；优选地，松油醇为α-松油醇；

银粉与混合溶剂的质量比为8～9:1～2。

在本发明的一个实施例中，所述银粉为氨基酸修饰的银粉，其中氨基酸含量为0.8～1wt％。

在本发明的一个实施例中，所述混合溶剂由20wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与80wt％松油醇组成。

在本发明的一个实施例中，所述混合溶剂由30wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与70wt％松油醇组成。

在本发明的一个实施例中，所述混合溶剂由40wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与60wt％松油醇组成。

在本发明的一个实施例中，所述混合溶剂由50wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与50wt％松油醇组成。

在本发明的一个实施例中，所述混合溶剂由60wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与40wt％松油醇组成。

在本发明的一个实施例中，所述混合溶剂由70wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与30wt％松油醇组成。

在本发明的一个实施例中，所述混合溶剂由80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与20wt％松油醇组成。

本发明的第二个目的是提供一种低温烧结导电银浆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min以上，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将20～80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与20～80wt％松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(3)将按照质量份计算的8～9银粉和1～2混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min以上；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述低温烧结导电银浆。

本发明的第三个目的是提供一种低温烧结导电银浆的应用，用于高温大功率芯片连接或低温连接-高温应用场合。

在本发明的一个实施例中，所述应用方法为：采用网板印刷或者点胶的方式将银浆印刷在待连接物体的表面，然后放上另外一个被连接物体，最后将这个“三明治”结构放在160～250℃的温度下烧结30～120min。

本发明有益的技术效果在于：

本发明解决现有导电银浆烧结温度高和需要辅助压力的问题，本发明导电银浆由特定尺寸银粉和特定混合溶剂制备而成，除必要溶剂外不需要额外添加剂，实现无压烧结连接，连接过程不需要辅助压力，大幅度简化互连工艺，便于推广应用。

本发明导电银浆可以实现160℃下的低温连接，可以使得一些不能承受传统银烧结高温的电子元器件在低温下获得相比于焊料连接导电导热性更加良好的银互连接头；且可以避免其他已经由低熔点焊料完成的连接接头熔化，可以在一个电子模块上多种封装方式与封装材料的合用，还可以避免面积较大的芯片在高温环境下(200℃及以上)很容易发生翘曲，对连接的可靠性产生严重影响。

本发明导电银浆中银粉尺寸非正态分布，小尺寸银片多，大尺寸银片少，烧结驱动力相对较高，烧结温度低。

附图说明

图1为本发明实施例1中银粉的粒径分布情况；

图2为镀银铜板上的银接头；

图3制备银接头的示意图；

图4为剪切仪工作示意图；

图5为印刷在载玻片上的银膜；

图6为四点探针示意图；

图7为实施例1-3及对比例1制得银膜的表面轮廓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

本发明实施例和对比例1、对比例3-4中采用银粉的平均粒径为1.3～1.8μm，其中，粒径为0.5～1.5μm的占比50％～55％，粒径为1.5～3μm的占比35％～40％，粒径为3～5μm的占比5％～10％。

所述银粉为氨基酸修饰的银粉，其中氨基酸含量为0.8～1wt％。

实施例1

一种低温烧结导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.57μm，粒径为0.5～1.5μm的占比53.9％，粒径为1.5～3μm的占比40％，粒径为3～5μm的占比6.1％的银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将50wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与50wt％α-松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(3)将按照质量份计算的9份银粉和1份混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述低温烧结导电银浆。

实施例2

一种低温烧结导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.8μm，粒径为0.5～1.5μm的占比50％，粒径为1.5～3μm的占比40％，粒径为3～5μm的占比10％的银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将20wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与80wt％α-松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(3)将按照质量份计算的9份银粉和1份混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨，分散及均匀化，制得所述低温烧结导电银浆。

实施例3

一种低温烧结导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.3μm，粒径为0.5～1.5μm的占比55％，粒径为1.5～3μm的占比40％，粒径为3～5μm的占比5％的银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与20wt％α-松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(3)将按照质量份计算的9份银粉和1份混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨，分散及均匀化，制得所述低温烧结导电银浆。

实施例4

一种低温烧结导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.5μm，粒径为0.5～1.5μm的占比51.1％，粒径为1.5～3μm的占比39.1％，粒径为3～5μm的占比9.8％的银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将70wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与30wt％α-松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(3)将按照质量份计算的8份银粉和2份混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述低温烧结导电银浆。

实施例5

一种低温烧结导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.65μm，粒径为0.5～1.5μm的占比53％，粒径为1.5～3μm的占比39％，粒径为3～5μm的占比8％的银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将30wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与70wt％α-松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(3)将按照质量份计算的9份银粉和1份混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述低温烧结导电银浆。

对比例1

一种导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.6μm，粒径为0.5～1.5μm的占比52.5％，粒径为1.5～3μm的占比40％，粒径为3～5μm的占比7.5％的银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将按照质量份计算的9份银粉和1份二丙二醇甲醚醋酸酯混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(3)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述导电银浆。

对比例2

一种导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将银粉(平均粒径2.5μm，粒径为0.5～1.5μm的占比27％，粒径为1.5～3.7μm的占比57％，粒径为3.7～8μm的占比16％，表面残留的润滑剂为硬脂酸，含量0.7～1wt％)分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将50wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与50wt％α-松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(2)将按照质量份计算的9份银粉和1份混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述导电银浆。

对比例3

一种导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.3μm，粒径为0.5～1.5μm的占比55％，粒径为1.5～3μm的占比40％，粒径为3～5μm的占比5％银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将按照质量份计算的9份银粉和1份乙二醇混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(3)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述导电银浆。

对比例4

一种导电银浆，制备方法包括如下步骤：

(1)将平均粒径1.5μm，粒径为0.5～1.5μm的占比53.5％，粒径为1.5～3μm的占比40％，粒径为3～5μm的占比6.5％的银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将按照质量份计算的9份银粉和1份1,2丙二醇混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min；

(3)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行研磨、分散及均匀化，制得所述导电银浆。

应用例

(1)室温下，将实施例1制得的低温烧结导电银浆用网板印刷的方式在25×15×1mm的镀银铜板上印刷6个3mm×3mm×50um的银膜，用镊子将3×3×1mm的镀银铜片置于银膜上，用镊子轻压保证镀银铜片与银浆紧密接触，制成银接头，银接头放在热台上烧结，烧结时用20×20×2cm的锡纸盖覆盖在样品上以确保样品底部和顶部温度大致相同，等到温度冷却至室温时将银接头取下。相同条件下，采用对比例2-4的银浆制备银接头；镀银铜板上的银接头如图2所示，制备过程示意图如图3所示。

采用Xyztec公司的Sigma推拉力试验机在室温下进行剪切强度测试，测试速度为1000μm/s。剪切仪工作示意图如图4所示。

不同烧结条件下，银接头的剪切强度如表1所示。

表1

由表1可以看出，本发明导电银浆在160℃下烧结30min，剪切强度为26.29556MPa，基本可以满足多数连接的需求，当250℃下烧结30min时，剪切强度可以达到43MPa，形成了非常可靠的连接。

(2)室温下，将实施例1制得的低温烧结导电银浆用网板印刷的方式在75×25×1mm的玻璃片上印刷三条20mm×3mm×50um的银膜，制成印刷电路，之后置于热台上烧结，烧结时用20×20×2cm的锡纸盖覆盖在样品上以确保样品底部和顶部温度大致相同，等到温度冷却至室温时将印刷电路取下。相同条件下，采用对比例2-4的银浆制备印刷电路；印刷在载玻片上的银膜如图5所示。

采用苏州晶格电子公司的ST2263四点探针测试仪在室温下进行电阻率测试，探针间距1mm。四点探针示意图如图6所示。不同烧结条件下，印刷电路的电阻率如表2所示。

表2

由表2可以看出，160℃下烧结30min时电阻率仅为12μΩ·cm左右，大约为块状银的8.5倍左右；当250℃下烧结30min时，电阻率最低可达8.48μΩ·cm，约为块状银的6倍，导电性良好。

综合表1和表2，可以看出在烧结时间相同，烧结温度低于对比例2-4的情况下，本发明产品的平均电阻率和平均剪切强度仍处于更优的水平，而延长烧结时间，和提高烧结温度，这一差距会更加明显，这证明了本发明通过银粉的优选，有效提升了微米银低温下无压连接的电-力学性能。

(3)室温下将实施例1-3、对比例制得的导电银浆分别用网板印刷的方式在75×25×1mm的载玻片上印刷三条20mm×3mm×50um的银膜，采用Keyence的VK–X1100 3D显微镜观测印刷银浆的形貌，放大倍率为5倍，通过扫描生成银膜表面的形貌图与轮廓图，以此来判断银浆的印刷性。结果如图7所示。由图7可以看出，实施例1～3所示的轮廓图形基本为一个矩形，符合理想状态下网板印刷出的形状，可以认为印刷性良好；而对比例1所示轮廓图形则是不规则的形状，这是由于溶剂比例未经过优化，黏度过低，流动性太高，印刷后难以形成较为规整的形状。

Claims (9)

1.一种低温烧结导电银浆，其特征在于，所述低温烧结导电银浆的由银粉和混合溶剂组成；

所述银粉的平均粒径为1.3～1.8μm，其中，粒径为0.5～1.5μm的占比为50％～55％，粒径为1.5～3μm的占比为35％～40％，粒径为3～5μm的占比为5％～10％；

所述混合溶剂由20～80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与20～80wt％松油醇组成；

银粉与混合溶剂的质量比为8～9:1～2；

所述银粉为片状银粉；

所述银粉为氨基酸修饰的银粉，其中氨基酸含量为0.8～1wt％。

2.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述混合溶剂由20wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与80wt％松油醇组成。

3.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述混合溶剂由30wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与70wt％松油醇组成。

4.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述混合溶剂由50wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与50wt％松油醇组成。

5.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述混合溶剂由70wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与30wt％松油醇组成。

6.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述混合溶剂由80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与20wt％松油醇组成。

7.一种权利要求1所述低温烧结导电银浆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将银粉分散在乙醇中，将混合物在磁力搅拌机中搅拌15min以上，搅拌完成后放在烘箱中，加热温度设置为50℃，直到乙醇完全挥发，得到干银粉，冷却至室温备用；

(2)将20～80wt％二丙二醇甲醚醋酸酯与20～80wt％松油醇混合并搅拌均匀，制得混合溶剂；

(3)将按照质量份计算的8～9份银粉和1～2份混合溶剂混合，在行星搅拌机中进行搅拌，转速1800/min，搅拌时间10min以上；

(4)从行星搅拌机中取出银浆混合物，放入三辊机进行进一步研磨、分散及均匀化，制得所述低温烧结导电银浆。

8.一种权利要求1所述低温烧结导电银浆的应用，其特征在于，用于高温大功率芯片连接或低温连接-高温应用场合。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用方法为：采用网板印刷或者点胶的方式将银浆印刷在待连接物体的表面，然后放上另外一个被连接物体，最后将这个“三明治”结构放在160～250℃的温度下烧结30～120min。