PDF《应用于大功率器件封装的 新型焊接材料纳米银膜》

另一种是先 把纳米银焊膏涂覆在较大的芯片上, 等干燥后将已涂覆焊膏的芯片切割成 所需大小,然后再把芯片和基板粘 接起来进行压力烧结.这两种应用模 式本质上使用的都是纳米银的膏状形 态,而不是预成型片状.纳米银膜作 为一种无铅的预成型焊接薄膜,它不 但克服了传统合金焊料导热性差以及 不能在极端条件下工作的缺陷,还同 时具有纳米银焊膏所不具备的存储和

39 1mm, 焊接过程在真空热压炉中进行. 1.2 性能表征 应用示差扫描量热仪(DSC, 204F1, Netzsch)和热重分析仪(TG, 209F1,Netzsch)对纳米银膜在加热 过程中的分解与失重行为进行分析. 纳米银膜烧结后的形貌通过扫描电子 显微镜(SEM,SU-8010,Hitachi) 来观察,烧结银互连接头的内部缺 陷通过超声波扫描显微镜(SAM, V-400E,KSI)检测.导热系数根据 导热系数 = 密度 * 比热容 * 热扩 散系数的原理测量,通过激光闪射导 热分析仪(LFA477,Netzsch)测得. 剪切强度通过微机控制电子万能拉力 机(CMT4204,MTS)测量,剪切速 率为

5 * 10-3 mm/s. 2. 结果与讨论 2.1 纳米银膜 纳米银膜由纳米银粉和有机成 分系统组成,纳米银粉占系统重量的 80% 左右 ;

其余为有机成分,包括粘 结剂、增塑剂和分散剂等物质,各成 分的重量配比如表

1 所示.在整个纳 米银膜系统中,粘结剂起到支撑纳米 银颗粒的载体作用,增塑剂使纳米银 膜成膜后具有柔韧的可卷曲性,而分 散剂则令到纳米银颗粒均匀分散和防 止团聚 [14] . 图1(a) 为所选用的纳米银粉的 扫描电子显微镜图像,图1(b) 为成型 后的纳米银膜照片.从扫描电镜中可 以看出,球形纳米银粉的平均粒径在

20 nm,且分散性良好.这样粒径的 纳米银颗粒在较低的温度下就有类似 于熔融状态的移动性,使它们远低于 传统的银粉烧结所需温度,为纳米银 2.2 导热能力 金属银的热导率很高,并且银 的抗氧化能力也很强,利用银的纳米 颗粒去制备纳米银膜可以从根本上保 证烧结银层具有较高的导热系数.在 实验中我们选择的是平均粒径

20 nm 的纳米银粉,一方面为了避免出现严 重的团聚问题,另一方面也可以维持 较高的的表面活性,满足低温烧结的 驱动力要求 [16] .我们用表

1 的配方 制备了纳米银膜热导率测试的标准 试样,将测试样品在

10 MPa 的压力 下真空中保温

30 min,获得的银烧 结层依据 ASTM E 1461-2013 的方法 进行导热系数测试,最终得到的数值 是216 W/mK,比块体银的一半还多, 远高于传统 IGBT 合金焊料 Sn-Pb 和Sn-Pb-Ag 的导热系数

35 W/mK(视 乎锡铅焊锡合金的配制情况) .测试 数据表明,纳米银膜烧结后的导热能 力完全能够满足 IGBT 模块对散热系 统的要求. 膜的低温烧结提供了可行性依据.在图2(a) 中纳米银膜的 DSC 分析也证 明,纳米银膜的整体熔点主要表现为 纳米银的熔点 197.1℃,所以纳米银 膜完全能够满足低温烧结、高温应用 的要求,因为烧结后的银层差不多具 有和块体银一样的熔点 [15] . 图2(b) 中纳米银膜的热重分析 显示,所含的有机成分的最低热分解 温度为 129.8℃,并且有大幅度的降 解.有机物较低的分解温度对最终获 得良好的致密烧结银层具有促进作 用,因为它在银原子刚开始迁移的时 候就已经最大限度地减薄了阻挡层. 300℃过后的质量变化已经很小,TG 曲线显示最终的残留质量为 80.97%, 这与我们配方中纳米银的含量基本一 致.总的说来,在我们选定纳米银的 前提下,系统中其他有机成分的合理 配制,对于纳米银膜烧结后能否获得 良好的综合性能起到决定作用. 图1. 用纳米银粉制备纳米银膜. (a) 纳米银粉 (b) 纳米银膜 表1. 纳米银膜各成分的重量配比(wt.%) . 纳米 银粉 粘结剂 增塑剂 分散剂 功能添 加剂