TWI704188B - 高功率模組之製備方法 - Google Patents

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Abstract

一種高功率模組之製備方法，其步驟包含以非接觸式探針配合電壓量測自動回饋方式，將銀基奈米漿料塗佈在散熱基板上，而該銀基奈米漿料包含銀基金屬粒子、有機銀離子化合物、有機添加物以及溶劑，其中該銀基金屬粒子係含有作為主銀粒子之表面具有機酸保護之奈米銀粒子，以及作為副銀粒子之微米銀粒子，兩者比例為9：1~1：1；將塗佈於該散熱基板上之銀基奈米漿料進行加溫並持溫；將IC晶片放置於該散熱基板之銀基奈米漿料上方，形成一組合物件；以及利用熱壓機對該組合物件進行熱壓接合製程，燒結該銀基奈米漿料，以形成該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層。藉此，所得之熱介面材料在完成熱處理後僅含少量有機物，且99%以上為純銀，故長時間使用下將無有機揮發物之產生，且在高溫下相當穩定，不會產生任何介金屬化合物，從而不會有因製程(環境)溫度而脆化之問題。

Description

高功率模組之製備方法
本發明係有關於一種高功率模組之製備方法，尤指涉及一種含有兩種不同尺寸之銀粒子之比例範圍的銀基奈米漿料，特別係指搭配全新非接觸式探針點膠技術進行塗佈而可避免破壞基板，並經熱壓燒結後形成之熱介面材料者。
近年環保意識抬頭，無鉛電子封裝材料將為未來環保趨勢，故目前商用之矽基高功率模組之熱介面材料(thermal interface materials,TIM)主要以錫銀銅(Sn-Ag-Cu)合金為封裝材料。然而，次世代高功率模組將以碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)為主要材料，且工作溫度高於(>150℃)目前以矽為主要材料之高功率模組。在此高溫下，錫銀銅合金容易形成易脆裂之介金屬化合物。而高功率模組在長時間之熱循環下所累積之剪應力將會導致此介金屬化合物之破裂，進而使得模組因散熱不良而失效。
參考數百筆專利後，統整現有技術如下：
1.作為焊接用途：為減少鉛、鎘等危害物質用量，發明一種無鉛焊料合金，以鋅(Zn)作為主成份及鋁(Al)作為合金金屬製成，並將其用於機械連接或電子應用中。簡言之，包含鋅作為主成份及鋁作為合金金屬之無鉛共晶焊料合金。
2.用於太陽能及接合：製作焊接合用層合體，由金屬奈米粒子燒結體層(含有平均粒徑為1μm~100nm之銀奈米粒子)、黏結劑層、含有金屬氧化物粒子之障壁層、及金錫(Au-Sn)合金焊料所構成之焊接合層構成。此接合體可為光電轉換之元件，作為太陽能電池使用。簡言之，焊接合用層合體及接合體。
3.作為電極用途：一種導電銀膠(Conductive Silver Paste)，其包含微米級銀粉、銀鹽、氨基苯酚型環氧化合物及固化劑，藉由合併採用銀鹽及氨基苯酚型環氧化合物，在較低製造成本下，使其同時兼具良好作業性與高導電度之特性。簡言之，導電銀膠與導電銀層。
4.用於太陽能及電極：此用於形成電極之銀膠組成物包括銀粉、玻璃燒結粉、有機黏結劑、以及碳黑；其有良好之印刷適性、優秀之電性質、以及能量轉換效率，可用於太陽能電池之電極。簡言之，用於形成電極之銀膠組成物及其製備方法。
由上述可知，目前相關產業現況為噴膠、無熱壓、非奈米級銀膠、以及銀含量小於90%。其中噴膠係應用針式點膠轉移技術，以探針將漿料帶出，藉由探針接觸散熱基板以完成漿料塗佈，目前已有相關技術。惟此探針式點膠為接觸式點膠技術，容易因散熱基板表面高低差過大而有破壞基板及基板表面塗層的情形發生，以致影響日後的電路焊錫零件蝕刻作業，並在長時間使用下促使探針損壞機率高，導致製程成本提高。
面對目前最為廣泛用於電子封裝產業之異質接合材料為鉛錫合金兩種。由於鉛會破壞人類神經系統以及妨礙胎兒發育，故目前世界各國正努力尋找無鉛接合材料。然而，無鉛焊錫主要成份為錫銀銅合金，該合金在高溫環境下易形成介金屬化合物(Cu6Sn5與Cu3Sn)，一但 此介金屬化合物形成後，接點在高溫下(>150℃)的機械強度則降為原來三分之一強，且在長時間之熱循環下容易形成孔洞，使得接合強度更為脆弱。再者，當孔洞形成後，增加高功率模組內部散熱鰭片與功率積體電路(integrated circuit,IC)元件之介面熱阻，導致散熱不易，最終使得高功率模組熱失效。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種使用之熱介面材料在完成熱處理後僅含少量有機物(<1%)，且99%以上為純銀，故長時間使用下將無有機揮發物(Volatile Organic Compounds,VOC)之產生，且在高溫下(<800℃)相當穩定，不會產生任何介金屬化合物，從而不會有因製程(環境)溫度而脆化之問題之高功率模組之製備方法。
本發明之次要目的係在於，提供一種使用的熱介面材料為純銀，以高純度銀做異質介面接合用材料，其導熱係數為錫銀銅合金(無鉛焊錫)之兩倍以上，將可取代錫銀銅合金及鉛錫與銀鉛錫合金(傳統焊錫)之高功率模組之製備方法。
本發明之另一目的係在於，提供一種奈米銀粒子與微米銀粒子之特定比例範圍，且因主要組成銀粒子之尺寸為100nm以下之奈米銀粒子，故所使用之熱處理溫度低於250℃，可避免電子元件在封裝製程中受到高溫而破壞之高功率模組之製備方法。
本發明之再一目的係在於，提供一種採用全新非接觸式探針點膠技術將可避免破壞基板之高功率模組之製備方法。
本發明之又一目的係在於，提供一種添加具有特殊設計之有機銀離子 化合物作為銀前驅物，可有效提高燒結後熱介面材料層之緻密性，提高導熱性質與機械性質，並且有效降低材料成本之高功率模組之製備方法。
為達以上之目的，本發明係一種高功率模組之製備方法，其至少包含下列步驟：步驟一：提供一非接觸式探針點膠設備，以非接觸式探針配合電壓量測自動回饋方式，將一銀基奈米漿料塗佈在一散熱基板上，而該銀基奈米漿料以重量%計，包含65~70%銀基金屬粒子、5~10%有機銀離子化合物、以及有機溶劑，其中該銀基金屬粒子係含有作為主銀粒子，表面由有機酸保護，且粒徑小於100nm之奈米銀粒子，以及作為副銀粒子且粒徑為500~1000nm之微米銀粒子，該奈米銀粒子與該微米銀粒子之比例為9：1~1：1，而該非接觸式探針點膠設備包含一組感測器，係由重量感測元件、電容及電阻建構而成之自動回饋控制系統；步驟二：將塗佈於該散熱基板上之銀基奈米漿料進行加溫並持溫一段時間；步驟三：將一積體電路(IC)晶片放置於該散熱基板之銀基奈米漿料上方，形成一組合物件；以及步驟四：利用一熱壓機對該組合物件進行加壓與加熱之熱壓接合製程，燒結該銀基奈米漿料，以形成該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層，其中該熱壓機之加壓壓力為1~10MPa，加熱到210~300℃，並維持上述壓力與溫度30~120分鐘再冷卻至室溫。
於本發明上述實施例中，該散熱基板之材質為銀、銅、金、或鎳之合金，或是材質為陶瓷、或氧化矽之基板上具有銀、金、鎳、鈦之合金或氮化物鍍層者。
於本發明上述實施例中，該步驟一亦可以網版印刷、或刮刀塗佈之方式將該銀基奈米漿料塗佈在該散熱基板上。
於本發明上述實施例中，該銀基金屬粒子係以化學合成法合成兩種以上粒徑之銀粒子並混合。
於本發明上述實施例中，該有機酸係為庚酸或丙酸。
於本發明上述實施例中，該有機銀離子化合物為銀前驅物，主要含有長碳鏈脂肪酸之官能基與銀離子。
於本發明上述實施例中，該有機銀離子化合物為2-乙基己酸銀(silver 2-ethylhexanoate)。
於本發明上述實施例中，該有機溶劑包含主要之第一溶劑及含量小於3wt%之第二溶劑，且該第一溶劑為松油醇(α-terpineol)。
於本發明上述實施例中，該第二溶劑主要為在0~25℃仍為液態之三級醇類或各級酮醇類之有機溶劑。
於本發明上述實施例中，該第二溶劑為丙酮醇(1-hydroxybutanone或Acetol)、二丙酮醇(4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone或Diacetone Alcohol)、2-甲基-2-丁醇(2-methyl-2-butanol)、或2-丙醇(2-propanol)。於本發明上述實施例中，該非接觸式探針點膠設備更包含一容器，可容納該銀基奈米漿料；一制動裝置，係設於該容器之一側，用以作為推壓之動力源；一推進活塞，係設於該容器上並與該制動裝置電性連接，其一端為活塞頭，另一端為連桿，受該制動裝置驅動而產生上、下運動；以及一探針，係設於該容器底端，當該探針前端之銀基奈米漿料碰觸到該散熱基板之瞬間，該組感測器量測電容(電阻)即會改變，此時設備可自動停止下針，完成漿料塗佈。
於本發明上述實施例中，該步驟二係將塗佈於該散熱基板上之銀基奈米漿料加溫至55~85℃，持溫5~10分鐘。
於本發明上述實施例中，該步驟四熱壓接合製程後，該IC晶片與該散 熱基板之熱介面材料層百分之九十成分以上為銀，孔隙率小於15%，且厚度為0.5~10μm。
於本發明上述實施例中，該步驟四若未對該組合物件加壓而僅加熱燒結後，該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層百分之九十成分以上為銀，孔隙率小於25%，且厚度為1~15μm。
1:非接觸式探針點膠設備
11:容器
12:制動裝置
13:推進活塞
131:活塞頭
132:連桿
14:探針
15:感測器
2:散熱基板
s101~s104:步驟
第1圖，係本發明之製備流程示意圖。
第2圖，係本發明之非接觸式探針配合電壓量測自動回饋方式示意圖。
第3圖，係本發明經熱壓接合後之熱介面材料層SEM圖。
第4圖，係本發明非接觸式點膠與傳統接觸式點膠之比較示意圖。
請參閱『第1圖~第4圖』所示，係分別為本發明之製備流程示意圖、本發明之非接觸式探針配合電壓量測自動回饋方式示意圖、本發明經熱壓接合後之熱介面材料層SEM圖、以及本發明非接觸式點膠與傳統接觸式點膠之比較示意圖。如圖所示：本發明係一種高功率模組之製備方法，可在積體電路(IC)晶片(熱源)與散熱基板間利用網版印刷、探針式點膠轉移技術或刮刀塗佈等方式將銀基奈米漿料塗佈在該散熱基板上；其中該散熱基板之材質為銀、銅、金、或鎳之合金，或是材質為陶瓷、或氧化矽之基板上具有銀、金、鎳、鈦之合金或氮化物鍍層者。
根據上述探針式點膠轉移技術，本發明所提方法主要採用非接觸式探針點膠技術，使漿料由探針帶出後，不碰觸基板，而是僅讓漿料接觸 示，圖(A)顯示本方法可避免因探針接觸基板而破壞基板及基板表面塗層，並避免探針長時間使用而損壞，且可達到較小之塗佈面積，相較圖(B)所示接觸式探針點膠技術，本發明係可小30%之塗佈面積。
因此，本發明為因應次世代高功率模組之高工作溫度，提出新型態之熱介面材料作為新世代高功率模組之關鍵材料之一，所提高功率模組之製備方法如第1圖所示，至少包含下列步驟：
步驟s101：提供一非接觸式探針點膠設備1，以非接觸式探針配合電壓量測自動回饋方式，將一銀基奈米漿料(圖中未示)塗佈在一散熱基板2上，而該銀基奈米漿料以重量%計，包含有65~70%銀基金屬粒子，係以化學合成法合成兩種以上粒徑之銀粒子並混合，主要含有作為主銀粒子，表面由有機酸(如：庚酸或丙酸)保護，且粒徑小於100nm之奈米銀粒子，以及作為副銀粒子且粒徑為500~1000nm之微米銀粒子，而該奈米銀粒子與該微米銀粒子之比例為9：1~1：1；5~10%有機銀離子化合物作為銀前驅物，主要含有長碳鏈脂肪酸之官能基與銀離子，並可為2-乙基己酸銀(silver2-ethylhexanoate)；以及有機溶劑，其包含主要之第一溶劑，可為松油醇(α-terpineol)，及小於3wt%第二溶劑，主要為在0~25℃仍為液態之三級醇類或各級酮醇類之有機溶劑，並可為丙酮醇(1-hydroxybutanone或Acetol)、二丙酮醇(4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone或Diacetone Alcohol)、2-甲基-2-丁醇(2-methyl-2-butanol)、或2-丙醇(2-propanol)。
上述非接觸式探針點膠設備1如第2圖所示，其包含一容器11，可容納該銀基奈米漿料；一制動裝置12，係設於該容器11之一側，內含步進馬達，用以作為推壓之動力源；一推進活塞13，係設於該容器11上並與該制動裝置12電性連接，其一端為活塞頭131， 另一端為連桿132，受該制動裝置12驅動而產生上、下運動；一探針14，係設於該容器11底端；以及一組感測器15，係由重量感測元件、電容及電阻建構而成之自動回饋控制系統。該非接觸式探針點膠設備1目的為當該探針14前端之銀基奈米漿料碰觸到該散熱基板2之瞬間，該組感測器15量測電容(電阻)即會改變，此時設備1可自動停止下針，達到避免傳統接觸式點膠技術因散熱基板表面高低差過大而破壞基板之情形發生，如第3圖所示。
步驟s102：將塗佈於該散熱基板上之銀基奈米漿料加溫至55~85℃，持溫5~10分鐘。
步驟s103：將一IC晶片放置於該散熱基板之銀基奈米漿料上方，形成一組合物件。
步驟s104：利用一熱壓機對該組合物件進行加壓與加熱之熱壓接合製程，燒結該銀基奈米漿料，以形成該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層，其中該熱壓機之工作參數如下：加壓壓力為1~10MPa，加熱到210~300℃，並維持上述壓力與溫度30~120分鐘再冷卻至室溫。若不對該組合物件加壓，則將該組合物件加熱至210~300℃並保溫在上述溫度30~120分鐘後再冷卻至室溫。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之高功率模組之製備方法。
上述熱壓接合製程後，該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層百分之九十成分以上為銀，孔隙率小於15%，且厚度為0.5~10μm，如第4圖所示。若未對該組合物件加壓而僅加熱燒結後，該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層百分之九十成分以上為銀，孔隙率小於25%，且厚度為1~15μm。
藉此，本發明具有下列功效：
1.本發明使用之熱介面材料將不會產生任何介金屬化合物，故不會因製程(環境)溫度而脆化，且在高溫下(<800℃)相當穩定。
2.本發明使用之熱介面材料在完成熱處理後僅含少量有機物(<1%)，且99%以上為純銀，故長時間使用下將無有機揮發物(Volatile Organic Compounds,VOC)之產生。
3.本發明所使用之熱介面材料為純銀，以高純度銀做異質介面接合用材料，其導熱係數為錫銀銅合金(無鉛焊錫)之兩倍以上，如表一所示。
Figure 107142316-A0305-02-0011-1
4.本發明不含鉛、鎘、鹵素等毒性物質。
5.目前高功率模組之工作溫度已上升至150℃，次世代高功率模組之工作溫度將上升至200℃，則本發明所使用之熱介面材料為純銀，將可取代無鉛焊錫的錫銀銅合金與傳統焊錫的鉛錫與銀鉛錫合金。
6.本發明奈米銀粒子與微米銀粒子之比例為9：1~1：1，且因主要組成銀粒子之尺寸為100nm以下之奈米銀粒子，故所使用之熱處理溫度低於250℃，可避免電子元件在封裝製程中受到高溫而破壞。
7.本發明採用全新非接觸式探針點膠技術將可避免破壞基板。
8.本發明添加具有特殊設計之有機銀離子化合物作為銀前驅物，可有效提高燒結後熱介面材料層之緻密性，提高導熱性質與機械性質，並且有效降低材料成本。
綜上所述，本發明係一種高功率模組之製備方法，可有效改善習用之 種種缺點，使用之熱介面材料在完成熱處理後僅含少量有機物(<1%)，且99%以上為純銀，故長時間使用下將無有機揮發物(VOC)之產生，且在高溫下(<800℃)相當穩定，不會產生任何介金屬化合物，從而不會有因製程(環境)溫度而脆化之問題；藉以高純度銀做異質介面接合用材料，其導熱係數為錫銀銅合金(無鉛焊錫)之兩倍以上，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
s101~s104:步驟

Claims (11)

  1. 一種高功率模組之製備方法，可在積體電路(IC)晶片(熱源)與散熱基板間利用探針式點膠轉移技術之方式將一銀基奈米漿料塗佈在該散熱基板上，其至少包含下列步驟：步驟一：提供一非接觸式探針點膠設備，以非接觸式探針配合電壓量測自動回饋方式，將該銀基奈米漿料塗佈在該散熱基板上，而該銀基奈米漿料以重量%計，包含65~70%銀基金屬粒子、5~10%有機銀離子化合物、以及有機溶劑，其中該銀基金屬粒子係含有作為主銀粒子，表面由有機酸保護，且粒徑小於100nm之奈米銀粒子，以及作為副銀粒子且粒徑為500~1000nm之微米銀粒子，該奈米銀粒子與該微米銀粒子之比例為9：1~1：1，而該非接觸式探針點膠設備包含一組感測器，係由重量感測元件、電容及電阻建構而成之自動回饋控制系統；步驟二：將塗佈於該散熱基板上之銀基奈米漿料進行加溫並持溫一段時間；步驟三：將一積體電路(IC)晶片放置於該散熱基板之銀基奈米漿料上方，形成一組合物件；以及步驟四：利用一熱壓機對該組合物件進行加壓與加熱之熱壓接合製程，或無壓力之加熱燒結製程，燒結該銀基奈米漿料，以形成該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層，其中該熱壓機之加壓壓力為1~10MPa，加熱到210~300℃，並維持上述壓力與溫度30~120分鐘再冷卻至室溫。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該散熱基板之材質為銀、銅、金、或鎳之合金，或是材質為陶瓷、 或氧化矽之基板上具有銀、金、鎳、鈦之合金或氮化物鍍層者。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該銀基金屬粒子係以化學合成法合成兩種以上粒徑之銀粒子並混合。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該有機酸係為庚酸或丙酸。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該有機銀離子化合物為銀前驅物，係含有長碳鏈脂肪酸之2-乙基己酸銀(silyer 2-ethylhexanoate)。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該有機溶劑包含主要之第一溶劑及含量小於3wt%之第二溶劑，且該第一溶劑為松油醇(α-terpineol)，該第二溶劑主要為在0~25℃仍為液態之三級醇類或各級酮醇類之有機溶劑。
  7. 依申請專利範圍第6項所述之高功率模組之製備方法，其中，該第二溶劑為丙酮醇(1-hydroxybutanone或Acetol)、二丙酮醇(4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone或Diacetone Alcohol)、2-甲基-2-丁醇(2-methyl-2-butanol)、或2-丙醇(2-propanol)。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該非接觸式探針點膠設備更包含一容器，可容納該銀基奈米漿料；一制動裝置，係設於該容器之一側，用以作為推壓之動力源；一推進活塞，係設於該容器上並與該制動裝置電性連接，其一端為活塞頭，另一端為連桿，受該制動裝置驅動而產生上、下運動；以及一探針，係設於該容器底端，當該探針前端之銀基奈米漿料碰觸到該散熱基板之瞬間，該組感測器量測電容(電阻)即會改 變，此時設備可自動停止下針，完成漿料塗佈。
  9. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該步驟二係將塗佈於該散熱基板上之銀基奈米漿料加溫至55~85℃，持溫5~10分鐘。
  10. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該步驟四熱壓接合製程後，該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層百分之九十成分以上為銀，孔隙率小於15%，且厚度為0.5~10μm。
  11. 依申請專利範圍第1項所述之高功率模組之製備方法，其中，該步驟四若未對該組合物件加壓而僅加熱燒結後，該IC晶片與該散熱基板之熱介面材料層百分之九十成分以上為銀，孔隙率小於25%，且厚度為1~15μm。
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