PDF《应用于大功率器件封装的 新型焊接材料纳米银膜》

38 应用于大功率器件封装的 新型焊接材料纳米银膜 摘要 : 本文设计制备了一种新型的焊接材料――纳米银膜,其结构不同于以往纳米银焊膏的形式,为预成 型片状,可韧性弯曲和自由剪裁.

纳米银膜的含银量在 80% 左右,所选用的纳米银粉平均粒径为

20 nm,其余 组成部分是含有不同功能团的有机物质.采用 0.1 mm 厚的纳米银膜模拟绝缘栅双极晶体管(IGBT)焊接实验, 在280 ℃温度和

10 MPa 压力下真空保温

30 min,烧结接头取得

216 W/mK 的导热系数和

53 MPa 的剪切强度. 研究结果进一步表明,纳米银膜能够直接焊接在无镀层处理的氧化铝陶瓷覆铜(direct bonding copper, DBC) 基板上,且致密性良好,空洞率极低.我们的研究表明,纳米银膜具有低温烧结、高热导率和残渣率低的特点 ;

纳米银膜能够有效替代传统合金焊料应用于功率半导体封装中. 何天贤 李志豪 (广州汉源新材料股份有限公司) 使用方便性,尤其适用于电子封装领 域中作为 IGBT 功率型芯片互连的新 型焊接材料 [11~13] .本文主要研究了纳 米银膜的制备和相关性能表征以及在 IGBT 模块焊接中的模拟应用. 1. 实验过程 1.1 材料和方法 本文中所使用的纳米银粉来源 于广州汉源新材料股份有限公司,纯 度在 99.9% 以上.银纳米颗粒的平均 直径为

20 nm,表面含氧量极低.纳 米银膜的组成除了有纳米银粉外,还 有粘结剂、增塑剂、分散剂等有机化 合物,所有有机试剂采购自广州泽明 科技发展有限公司.纳米银膜中纳米 银的质量分数控制在 80% 左右.纳 米银膜的制备过程首先是将所有化学 原料用乙醇完全溶解,然后倒入纳 米银粉搅拌均匀,经真空脱泡后把 配制而成的浆料倒在载带流延机上 流延成膜,待干燥过后撕下来即成 为可卷带包装和自由裁切的柔性纳 米银膜.模拟 IGBT 焊接的材料是直 径为 12.7mm 的圆形银片和

100 mm2 的方形铜片和 DBC 基板,厚度都为 引言 焊料是电子产品组装过程中不 可或缺的重要组成部分,它能够将器 件的各部分功能有效地连接在一起. 随着电子技术向着高功率、高密度和 集成化的方向发展,对于大功率器件 的封装,例如 IGBT,也相应地对焊 接材料提出了更高、更全面的可靠性 需求 [1] .IGBT 作为新一代的功率半 导体器件,已被广泛应用于高铁、新 能源、电动汽车以及智能电网等各个 领域.传统的 IGBT 模块焊接是采用 Sn-Pb、Sn-Pb-Ag 等合金焊料来完成 的,这类焊料熔点低、导热性差,且 对人体和环境有害,已逐渐不能满足 高功率电子器件的封装及其高温应用 要求 [2] .因此,研究和开发能够应用 于高温高功率封装的具有高热导率和 良好综合性能的新型热界面互连材料 就显得尤为重要 [3] . 金属银是一种很有前途的电子 组装材料 [4~7] .因为银具有很高的导 热系数(429 W/mK)和极佳的电性 能(63 MS/m) ,使得它可以满足高功 率密度系统的散热要求 ;

而且银具有 良好的抗蠕变和抗腐蚀性能,在电子 封装互连过程中可以避免重熔现象的 发生.尽管块体银的熔点比较高 (961 ℃) ,但纳米银烧结技术为银的低温 烧结、高温服役提供了解决方案.由 于纳米尺寸效应,纳米银颗粒的熔点 和烧结温度远低于块体银,表面熔化 的纳米银颗粒通过液相毛细力的作用 彼此润湿和扩散,最终结合成具有与 块体银相似熔点的烧结体 [8] .因此, 纳米银颗粒可以在大功率器件封装中 作为合金焊料的替代材料 [9] . 目前,纳米银颗粒在功率半导 体封装中的应用主要有两种模式 [10] : 一种是直接把纳米银焊膏印刷在需要 连接的基板上,然后把芯片放上去进 行无压 / 有压烧结连接 ;