高可靠銀燒結(jié)五問五答

一 何謂銀燒結(jié)？

銀燒結(jié)技術(shù)也被稱為低溫連接技術(shù)，是指采用微米和納米級(jí)的銀顆粒（銀漿、銀膜和銀粉）通過燒結(jié)進(jìn)行材料連接的技術(shù)，是大功率模塊中的關(guān)鍵封裝技術(shù)。

二 銀燒結(jié)的優(yōu)勢？

傳統(tǒng)釬焊料熔點(diǎn)一般低于300 ℃，芯片釬焊連接界面在-40~125 ℃的溫度沖擊條件下，經(jīng)過約400次循環(huán)之后焊層普遍會(huì)出現(xiàn)退化現(xiàn)象，器件可靠性會(huì)受到影響。

低溫銀燒結(jié)技術(shù)優(yōu)勢包括：

1連接層主要成分為銀，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)異；

2低溫連接（180℃）高溫服役，熔點(diǎn)高達(dá)961 ℃，具有較高的可靠性；

3是其他焊膏使用壽命的5-10倍；

三 銀燒結(jié)的燒結(jié)步驟？

燒結(jié)工藝過程大致分為2 個(gè)步驟：

1對燒結(jié)銀進(jìn)行預(yù)處理，僅余極少量包覆層和納米銀顆粒，為了防止團(tuán)聚使用有機(jī)物將銀顆粒隔離，顆粒之間空隙很大，結(jié)構(gòu)松散。

2通過加溫加壓，使得納米銀顆粒之間、納米銀顆粒和燒結(jié)界面之間互相接觸，并發(fā)生固相反應(yīng)。具體過程為固體銀顆粒間形成燒結(jié)頸，通過銀原子的擴(kuò)散遷移，銀顆粒逐步長大，空隙漸趨減少，連接層總體積收縮，密度增加，最后成為致密多空燒結(jié)體。

四 何謂納燒結(jié)銀？

納米銀是指顆粒尺寸在1~100nm之間的單質(zhì)銀，由于尺寸效應(yīng)，納米銀的熔點(diǎn)和燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于塊狀銀，在室溫下即具有較高的表面活性和表面能。

為了使納米銀顆?？梢韵癯Ｒ?guī)焊錫膏一樣印刷或者點(diǎn)涂，通常需要向納米銀顆粒中添加表面活性劑、粘結(jié)劑和稀釋劑。納米銀焊膏中納米銀顆粒的質(zhì)量比例一般為80%～90%。

經(jīng)過200-280 ℃燒結(jié)后，單個(gè)分散的納米銀顆粒消失，形成了均勻的、有較高致密度的、具有類似塊狀銀性質(zhì)的燒結(jié)體，納米銀燒結(jié)材料具有更高的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，是實(shí)現(xiàn)大功率模塊封裝的理想連接材料之一。

五 銀燒結(jié)的關(guān)鍵指標(biāo)？

1燒結(jié)溫度

納米銀焊膏燒結(jié)體的致密度和燒結(jié)頸均隨著燒結(jié)溫度的提高而增強(qiáng)，晶粒的尺寸也明顯增大，納米銀與銅基體的界面層厚度增加，界面處可能會(huì)氧化。焊接接頭的剪切強(qiáng)度與燒結(jié)溫度之間均呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢，即剪切強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的提高而增強(qiáng)。

2燒結(jié)壓力

適當(dāng)?shù)?/span>燒結(jié)壓力對接頭力學(xué)性能的提高主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 一是增強(qiáng)納米銀焊膏與基板之間的接觸，促進(jìn)焊膏中的銀原子與基板中銅原子的相互擴(kuò)散; 二是額外施加的壓力有助于接頭界面處銀顆粒的重排，提高界面處的顆粒填充密度，從而降低接頭組織的孔隙率。但是，過高的燒結(jié)壓力除了可能會(huì)損壞芯片外，過于致密的界面接觸。

有可能抑制焊膏中有機(jī)物的分解，從而降低燒結(jié)效率，增加接頭內(nèi)部有機(jī)物的殘留。額外施加的壓力不利于在規(guī)模化生產(chǎn)中利用已有的焊接爐設(shè)備，且過大的壓力不利于簡化封裝工藝以及提高封裝過程的自動(dòng)化。分研究者嘗試在無壓力條件下進(jìn)行納米銀焊的燒結(jié)

3燒結(jié)氣氛

納米銀焊膏的燒結(jié)過程只有在納米顆粒表面的有機(jī)物包覆層分解后才能進(jìn)行，因此燒結(jié)氣氛中存在一定含量的氧是必須的，燒結(jié)過程中氧含量太低將無法使焊膏中的有機(jī)物*分解揮發(fā)，影響焊接接頭的致密性。燒結(jié)氣氛中過高的氧含量將會(huì)導(dǎo)致銅基材表面生成銅的氧化物( CuOx，x = 1 或者2)］。

通過精確控制納米銀焊膏固化階段的氧含量，并利用甲酸減少陶瓷襯板表面銅的氧化，實(shí)現(xiàn)了大功率模塊芯片與陶瓷襯板在無燒結(jié)壓力、襯板表面無鍍層條件下的可靠連接，剪切強(qiáng)度達(dá)到25MPa。