CN117984010A - 一种金属焊膏及其封装方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种金属焊膏及其封装方法和应用，属于电子封装材料技术领域。本发明亚微米核壳结构多组分金属焊膏，包含以下质量百分比组分：75～85％亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒和15～25％有机载体；其中有机载体包括以下重量百分比组分：85％～95％有机溶剂、0.4％～3％增稠剂、0.5％～5％分散剂、0.4％～3％触变剂和0.5％～4％消泡剂。本方法相较于封装领域其他纳米材料，显著降低成本且保证了互连结构具备优异力学性能，同时实现低温烧结高温服役的目的。
Description
技术领域
本发明属于电子封装材料技术领域，具体涉及一种金属焊膏及其封装方法和应用。
背景技术
随着集成电路和半导体技术的发展，芯片封装趋于小型化、高集成度、高功率密度和优异的机电性能。但是，工作环境恶劣，如高温、大电流和潮湿环境，给芯片互连带来了许多挑战。同时，随着碳化硅(Silicon carbide，SiC)和氮化镓(Gallium nitride，GaN)等第三代宽带隙半导体的出现，由于其具有宽带隙、高击穿电压和高电子迁移率，已被广泛应用在各种领域。通常，这些半导体在高温(一般200℃以上)、高功率和高辐射等恶劣环境中工作，给器件封装带来了许多挑战。因此，研究新型互连材料和封装方法对于充分利用宽带隙半导体在高功率器件中的优异性能至关重要。
目前，已经开发了许多方法来实现低温键合。然而，高温无铅焊料具有一些缺点，如焊接温度高(如Zn基焊料)、加工性能差且价格昂贵(如Au基焊料)、加工性能差且价格昂贵具有高脆性(如Bi基焊料)等，有导致芯片损坏和降低接头可靠性的危险。传输线脉冲发生器(Transmission Line Pulse，TLP)获得完整的金属间化合物(IntermetallicCompound，IMC)通常需要很长的处理时间，这可能会导致额外的热应力严重降低接头的可靠性。但由于尺寸效应，金属可以制备为具有高表面活性和低熔点的纳米尺寸金属材料。纳米金属烧结成为高温封装的新选择，如Ag或CuNPs烧结。然而，银纳米颗粒由于其严重的电化学迁移和高工业成本而受到严重限制。为了降低成本，选择铜作为更实惠的替代品。由于其较高的金属活性，在使用的过程中铜很容易被空气氧化并失去其原有的导电性。故高温无铅焊料仍然难以满足半导体、封装等领域的需求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，我们发明的目的在于设计提供一种金属焊膏及其封装方法和应用。本发明使用有机载体作为载体进行低温烧结，能代替传统Sn基焊料，既保证了力学性能，并解决铜纳米焊膏易氧化和纳米银膏在大规模应用时成本过高的问题。本方法相较于封装领域其他纳米材料，显著降低成本且保证了互连结构具备优异力学性能，同时实现低温烧结高温服役的目的。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种金属焊膏，包含以下质量百分比组分：75～85％亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒和15～25％有机载体；
优选，包含以下质量百分比组分：64％亚微米银包铜颗粒、16％银包镍和颗粒和20％有机载体。
所述的一种金属焊膏，所述亚微米银包铜颗粒的平均粒径为0.1～5μm；
所述银包镍颗粒的粒径为0.05～1μm；这可以在保证颗粒高导电导热和抗氧化性的同时，使得焊膏能在低温下进行烧结；
所述亚微米银包铜和银包镍颗粒的壳层厚度均为10～200nm；这可以在保证颗粒抗氧化性和增强烧结性能的同时，大大降低焊膏的经济成本；
优选，所述亚微米银包铜颗粒的平均粒径为500～1000nm；所述银包镍颗粒的平均粒径为200～500nm；
优选，所述亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的壳层厚度均为20～50nm。
所述的一种金属焊膏，所述有机载体包括有机溶剂、增稠剂、分散剂、触变剂和/或消泡剂。
所述的一金属焊膏，所述有机载体包括以下重量百分比组分85％～95％有机溶剂、0.4％～3％增稠剂、0.5％～5％分散剂、0.4％～3％触变剂和0.5％～4％消泡剂；
优选，所述有机载体包括以下重量百分比组分：94％有机溶剂、1％增稠剂、2.5％分散剂、1.5％触变剂和1％消泡剂；在此比例下，焊膏具有合适的粘度和挥发速率；
所述有机溶剂选自α-松油醇、乙二醇、1,3-丙二醇或聚乙二醇400中的一种或多种；
所述增稠剂选自乙基纤维素、丙烯酸、甲基丙烯酸或聚丙烯酸盐中的一种或多种；
所述分散剂选自乙酸乙酯、甲基戊醇、聚丙烯酰胺或脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或多种；
所述触变剂为有机膨润土和/或氢化蓖麻油；
所述消泡剂选自硅油、GP类型聚醚消泡剂或GPE类消泡剂的一种或多种；
优选，所述有机溶剂为α-松油醇；所述增稠剂为乙基纤维素；分散剂为乙酸乙酯；触变剂为有机膨润土；消泡剂为硅油。
第二方面，本发明提供了任一项所述的一种金属焊膏的制备方法，包含以下步骤：
(1)制备有机载体；
(2)称取亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒，加入到有机载体中，进行机械搅拌混合均匀，获得含有亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的多组分金属焊膏。
所述的制备方法，所述机械搅拌的时间为20min。
第三方面，本发明提供了任一项所述的金属焊膏在封装功率器件中的应用。
第四方面，本发明提供了一种低温烧结互连的封装方法，包括以下步骤：
S1.通过丝网印刷将如权利要求1-4任一项所述的金属焊膏涂覆于待封装基板上；
S2.取芯片，放置于上述S1中涂覆后的封装基板上，形成三明治结构，放置于热板上进行预热；
S3.使用热压的方式进行烧结，完成封装。
所述的封装方法，所述待封装基板和芯片均为表面金属化的陶瓷或金属基板；
优选，表面金属化的金属为铜。
所述的封装方法，所述预热的条件为：预热温度80～160℃，预热时间为3～7min，气氛为空气；
优选，所述预热的条件为：预热温度120℃，预热时间5min，气氛为空气；
所述热压的条件为：热压温度250～300℃，保温时间10～20min，辅助压力10MPa；
优选，所述热压的条件为：热压温度300℃，保温时间10min，辅助压力10MPa。
与传统功率器件封装用导电浆料相比，本发明的金属焊膏具有导电性能高、并且由于表面金属壳层的保护，其耐高温性能强、可以明显降低铜的氧化风险，更好的力学性能，并且对环境友好等多种优点。这些优点共同使得本发明金属焊膏在电子封装领域拥有广泛的应用范围，能够显著提高电子产品的性能和可靠性。
附图说明
图1为银包铜核壳颗粒的SEM图像；
图2为银包铜核壳颗粒的Fib截面图；
图3为本发明制备方法的实施工作流程图；
图4为实施例1-4的烧结层X-Ray图像。
具体实施方式
下面将结合附图和本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
制备亚微米银包铜和银包镍焊膏，并利用其进行封装，具体步骤如下：
(1)制备有机载体，按照乙二醇、乙基纤维素、乙酸乙酯、有机膨润土和GP330质量百分比分别为92％、2％、2.5％、1.5％和2％组成。
(2)制备焊料，将亚微米银包铜颗粒和银包镍亚微米颗粒与有机载体混合，置于混料机中机械搅拌10min后获得焊膏，其固含量为80％，亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的质量百分比为4:1，采用亚微米银包铜颗粒的粒径为800nm，银包镍颗粒的粒径为300nm，其壳层厚度分别为50nm和20nm。
其中，亚微米银包铜核壳颗粒的SEM图像如图1所示，可以看出，包覆了银层的亚微米球形银包铜粉末整体结构依然为球形。银包铜核壳颗粒的Fib截面图如图2所示，从图中可以看出，银包铜由在中心的铜球和在外层的银包覆层组成。铜球被连续致密的银层包裹住了，这表明银包铜颗粒具有明确的核壳结构。
(3)通过丝网印刷将制备得到的多组分金属焊膏涂覆于镀铜DBC下基板上，DBC下基板的尺寸为5.8mm×5.8mm。
(4)将DBC上基板放置在涂覆好的下基板之上，DBC上基板的尺寸为3mm×3mm，形成三明治结构，之后放在热板上进行预热，预热温度为100℃，预热时间为3min。
(5)预热完成后，使用热压的方法进行低温烧结，烧结工艺为：辅助压力10MPa，300℃保温10min。如图3为本发明金属焊膏及其封装方法的实施工作流程图。
本实施例获得的互连接头经焊接强度测试仪行剪切测试，结果剪切强度为45MPa。
实施例2：
制备亚微米银包铜和银包镍焊膏，并利用其进行封装，具体步骤如下：
(1)制备有机载体，按照聚乙二醇400、甲基丙烯酸、甲基戊醇、氢化蓖麻油和GP330质量百分比分别为90％、2％、3％、3％和2％组成；
(2)制备焊料，将亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒与有机载体混合，置于混料机中机械搅拌10min后获得焊膏，其固含量为80％，亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的质量百分比为4:1，采用亚微米银包铜颗粒的粒径为1000nm，银包镍颗粒的粒径为400nm。其壳层厚度分别为100nm和40nm；
(3)通过丝网印刷将制备得到的多组分金属焊膏涂覆于镀铜DBC下基板上，DBC下基板的尺寸为5.8mm×5.8mm；
(4)将DBC上基板放置在涂覆好的下基板之上，DBC上基板的尺寸为3mm×3mm，形成三明治结构，之后放在热板上进行预热，预热温度为100℃，预热时间为5min；
(5)预热完成后，使用热压的方法进行低温烧结，烧结工艺为：辅助压力10MPa，300℃保温10min。
本实施例获得的互连接头经焊接强度测试仪进行剪切测试，结果剪切强度为41MPa。
实施例3：
制备亚微米银包铜和银包镍焊膏，并利用其进行封装，具体步骤如下：
(1)制备有机载体，按照1,3丙二醇、聚丙烯酸盐、脂肪酸聚乙二醇酯、氢化蓖麻油和GPE10质量百分比分别为92％、1.5％、2.5％、2％和2％组成；
(2)制备焊料，将亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒与有机载体混合，置于混料机中机械搅拌10min后获得焊膏，其固含量为80％，亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的质量百分比为4:1，采用亚微米银包铜颗粒的粒径为600nm，银包镍颗粒的粒径为200nm。其壳层厚度分别为60nm和30nm；
(3)通过丝网印刷将制备得到的亚微米银包铜焊膏涂覆于镀铜DBC下基板上，DBC下基板的尺寸为5.8mm×5.8mm；
(4)将DBC上基板放置在涂覆好的下基板之上，DBC上基板的尺寸为3mm×3mm，形成三明治结构，之后放在热板上进行预热，预热温度为140℃，预热时间为7min；
预热完成后，使用热压的方法进行低温烧结，烧结工艺为：辅助压力10MPa，250℃保温10min。
本实施例获得的互连接头经焊接强度测试仪进行剪切测试，结果剪切强度为38MPa。
实施例4：
制备亚微米银包铜和银包镍焊膏，并利用其进行封装，具体步骤如下：
(1)制备有机载体，按照α-松油醇、乙基纤维素、乙酸乙酯、有机膨润土和硅油质量百分比分别为94％、1％、2.5％、1.5％和1％组成。
(2)制备焊料，将亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒与有机载体混合，置于混料机中机械搅拌10min后获得焊膏，其固含量为80％，亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的质量百分比为4:1，采用亚微米银包铜颗粒的粒径为900nm，银包镍颗粒的粒径为200nm，其壳层厚度分别为80nm和20nm。
(3)通过丝网印刷将制备得到的亚微米银包铜焊膏涂覆于镀铜DBC下基板上，DBC下基板的尺寸为5.8mm×5.8mm。
(4)将DBC上基板放置在涂覆好的下基板之上，DBC上基板的尺寸为3mm×3mm，形成三明治结构，之后放在热板上进行预热，预热温度为120℃，预热时间为5min。
预热完成后，使用热压的方法进行低温烧结，烧结工艺为：辅助压力10MPa，300℃保温10min。
本实施例获得的互连接头经焊接强度测试仪进行剪切测试，结果剪切强度为48MPa。
实施例1-4的烧结层X-Ray图像如图4所示，焊点几乎无气孔。
综合各组实验得到的最佳制备工艺为：银包铜和银包镍颗粒的粒径均为0.8μm，壳层厚度为50nmm，金属颗粒中银包铜和银包镍的质量比分别为80％和20％，有机载体按照有机溶剂、增稠剂、分散剂、触变剂和消泡剂所占的中重量百分比为94％、1％、2.5％、1.5％和1％组成。烧结过程中采用预热温度120℃，预热时间5min，α-松油醇质量分数35％，甘油质量分数65％，烧结辅助压力10MPa，300℃保温10min。
可见，本发明的金属焊膏具有核壳结构，由于表面金属壳层的保护，其耐高温性能强、可以降低铜的氧化风险。利用本发明金属焊膏低温烧结互联封装获得的互连接头，其剪切强度可高达48MPa。利用本发明金属焊膏制备的烧结层焊点几乎无气孔。
Claims (10)
1.一种金属焊膏，其特征在于，包含以下质量百分比组分：75～85％亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒和15～25％有机载体；
优选，包含以下质量百分比组分：64％亚微米银包铜颗粒、16％银包镍颗粒和20％有机载体。
2.如权利要求1所述的一种金属焊膏，其特征在于，所述亚微米银包铜颗粒的平均粒径为0.1～5μm；
所述银包镍颗粒的粒径为0.05～1μm；
所述亚微米银包铜和银包镍颗粒的壳层厚度均为10～200nm；
优选，所述亚微米银包铜颗粒的平均粒径为500～1000nm；所述银包镍颗粒的平均粒径为200～500nm；
优选，所述亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的壳层厚度均为20～50nm。
3.如权利要求1所述的一种金属焊膏，其特征在于，所述有机载体包括有机溶剂、增稠剂、分散剂、触变剂和/或消泡剂。
4.如权利要求3所述的一种金属焊膏，其特征在于，所述有机载体包括以下重量百分比组分：85％～95％有机溶剂、0.4％～3％增稠剂、0.5％～5％分散剂、0.4％～3％触变剂和0.5％～4％消泡剂；
优选，所述有机载体包括以下重量百分比组分：94％有机溶剂、1％增稠剂、2.5％分散剂、1.5％触变剂和1％消泡剂；
所述有机溶剂选自α-松油醇、乙二醇、1,3-丙二醇或聚乙二醇400中的一种或多种；
所述增稠剂选自乙基纤维素、丙烯酸、甲基丙烯酸或聚丙烯酸盐中的一种或多种；
所述分散剂选自乙酸乙酯、甲基戊醇、聚丙烯酰胺或脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或多种；
所述触变剂为有机膨润土和/或氢化蓖麻油；
所述消泡剂选自硅油、GP类型聚醚消泡剂或GPE类消泡剂的一种或多种；
优选，所述有机溶剂为α-松油醇；所述增稠剂为乙基纤维素；分散剂为乙酸乙酯；触变剂为有机膨润土；消泡剂为硅油。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种金属焊膏的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)制备有机载体；
(2)称取亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒，加入到有机载体中，进行机械搅拌混合均匀，获得含有亚微米银包铜颗粒和银包镍颗粒的多组分金属焊膏。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述机械搅拌的时间为20min。
7.如权利要求1-4任一项所述的金属焊膏在封装功率器件中的应用。
8.一种低温烧结互连的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过丝网印刷将如权利要求1-4任一项所述的金属焊膏涂覆于待封装基板上；
S2.取芯片，放置于上述S1中涂覆后的封装基板上，形成三明治结构，放置于热板上进行预热；
S3.使用热压的方式进行烧结，完成封装。
9.如权利要求8所述的封装方法，其特征在于，所述待封装基板和芯片均为表面金属化的陶瓷或金属基板；
优选，表面金属化的金属为铜。
10.如权利要求8所述的封装方法，其特征在于，所述预热的条件为：预热温度80～160℃，预热时间为3～7min，气氛为空气；
优选，所述预热的条件为：预热温度120℃，预热时间5min，气氛为空气；
所述热压的条件为：热压温度250～300℃，保温时间10～20min，辅助压力10MPa；
优选，所述热压的条件为：热压温度300℃，保温时间10min，辅助压力10MPa。
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| CN202410237012.XA CN117984010A (zh) | 2024-03-01 | 2024-03-01 | 一种金属焊膏及其封装方法和应用 |
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