納米銀膏與微米銀膏燒結(jié)連接對比

朱 穎 唐善平

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191)

閆劍鋒 鄒貴生

(清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084)

錫鉛合金由于其優(yōu)良的性能而廣泛用于電子工業(yè)的芯片封裝［1-2］.然而鉛及其合金有毒，相關(guān)禁鉛法令也陸續(xù)頒布.目前，國內(nèi)外中低溫?zé)o鉛電子封裝連接材料主要是以Sn為基體的無鉛釬料.現(xiàn)有的高溫?zé)o鉛釬料由于性能及可靠性均不及高鉛釬料，且無法直接利用現(xiàn)有的回流焊工藝實(shí)現(xiàn)封裝，故高溫服役條件下的電子器件的互連材料及工藝需進(jìn)一步研究［3-6］.同時隨著大功率器件如大功率 LED器件、混合動力汽車等迅速發(fā)展［7］，迫切需要一種能夠低溫封裝、高溫服役并能保持高可靠性的無鉛電子封裝材料.

近來國內(nèi)外提出用納米金屬燒結(jié)封裝電子芯片的方案引起了廣泛關(guān)注，其基本原理是利用納米金屬顆粒的高表面能、低熔點(diǎn)特性來實(shí)現(xiàn)低溫低壓燒結(jié)封裝［8］.基于此原理，納米銀膏低溫?zé)Y(jié)連接成為近年的研究熱點(diǎn).納米銀膏燒結(jié)封裝具有低溫低壓燒結(jié)特性，且燒結(jié)層理論上可耐960℃以下的高溫，同時銀具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱及延展性，故可用于高溫電子產(chǎn)品的封裝.

目前，國際上已有將納米銀膏用于電子封裝的研究，如Minoru Maruyama等利用納米銀實(shí)現(xiàn)了硅二極管芯片與銅基板的連接，其測試表明可靠性高于傳統(tǒng)Pb-5Sn封裝的芯片［9］.國內(nèi)，鄒貴生、齊昆等分別對納米銀膏燒結(jié)性能及其燒結(jié)粘接的可靠性進(jìn)行了研究［10-11］.微米銀膏作為電子封裝材料已得到應(yīng)用，與納米銀膏燒結(jié)連接相比，微米銀膏銀顆粒的尺寸較大，其燒結(jié)溫度較高或燒結(jié)壓力較大［12］，燒結(jié)連接特性也有一定差異，故二者在相同條件下的燒結(jié)連接強(qiáng)度及其連接機(jī)理尚需進(jìn)一步研究.本文用自行制備的納米銀膏與微米銀膏實(shí)現(xiàn)了鍍銀銅塊的燒結(jié)連接，并對納米銀膏與微米銀膏在相同連接條件下的接頭剪切強(qiáng)度、斷口形貌及顯微組織進(jìn)行了對比研究.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

以乙二醇為還原劑，聚乙烯吡咯烷酮為保護(hù)劑，通過加熱還原AgNO3制得納米銀，銀膏的具體制備方法見文獻(xiàn)［13］，然后利用其進(jìn)行燒結(jié)連接.為降低實(shí)驗(yàn)成本，連接試樣分別用直徑為6 mm和10 mm的鍍銀銅圓柱代替封裝芯片及基板，銅塊高度均為5 mm，連接表面鍍銀，如圖1所示.接頭的剪切強(qiáng)度用熱/力物理模擬試驗(yàn)機(jī)Gleeble 1500D來測定，剪切示意圖如圖2所示.納米銀膏中的Ag為直徑20～80 nm的球形顆粒，如圖3a所示.微米銀膏是用商業(yè)銀粉按納米膏相同有機(jī)成份配制而成.微米銀膏由1～3 μm的不規(guī)則多面體(圖3b)Ag顆粒構(gòu)成.在連接實(shí)驗(yàn)中，先在兩個被連接鍍銀銅圓柱的待連接面均勻涂覆銀膏，然后將小鍍銀銅圓柱對接于大銅圓柱上面，于250℃直接燒結(jié)連接.具體燒結(jié)工藝參數(shù)如下:燒結(jié)溫度為250℃，燒結(jié)壓力為2～5MPa，燒結(jié)氣氛為大氣，保溫時間為5 min.

圖1 試樣尺寸

圖2 剪切示意圖

圖3 銀膏的微觀形貌的掃描電鏡圖

2 結(jié)果與討論

2.1 納米銀膏與微米銀膏的燒結(jié)接頭剪切強(qiáng)度

為對比分析納米銀膏與微米銀膏燒結(jié)連接強(qiáng)度的差異，將微米銀膏與納米銀膏在相同條件下燒結(jié)連接鍍銀銅塊.圖4為上述接頭的剪切強(qiáng)度，圖中誤差棒為同一壓力下3個試樣中最大剪切強(qiáng)度與最小剪切強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)表明微米銀膏在5 MPa條件下燒結(jié)接頭的剪切強(qiáng)度僅有4 MPa，而相同條件下，納米銀膏燒結(jié)接頭的剪切強(qiáng)度可達(dá)到38 MPa，為前者的9倍多.可見，與微米銀膏燒結(jié)連接鍍銀銅塊相比，納米銀膏在低燒結(jié)壓力條件下其剪切強(qiáng)度有明顯優(yōu)勢.

圖4 微米銀膏與納米銀膏的接頭剪切強(qiáng)度

2.2 納米銀膏與微米銀膏燒結(jié)接頭的斷口及分析

圖5為納米銀膏、微米銀膏在250℃，5 MPa，5 min燒結(jié)剪切后的斷口形貌.納米銀燒結(jié)接頭從燒結(jié)層發(fā)生斷裂，如圖5a所示.進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，納米銀燒結(jié)層呈多微孔狀結(jié)構(gòu)(圖5b)，該微孔結(jié)構(gòu)有利于被連接電子器件在溫度變化過程中應(yīng)力的釋放，可延長器件的使用壽命［14］.而微米銀膏燒結(jié)連接斷口與納米銀膏燒結(jié)連接斷口明顯不同，其主要從燒結(jié)層與鍍銀層界面間斷開(圖5c).進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，由于微米銀顆粒尺寸較大，銀顆粒間未實(shí)現(xiàn)大面積融合，僅有小部分小顆粒尺寸的銀出現(xiàn)了燒結(jié)頸縮，且燒結(jié)后顆粒間的孔隙粗大(圖5d)，其剪切強(qiáng)度較低.

圖5 納米銀膏、微米銀膏的接頭斷口

納米銀膏與微米銀膏接頭顯微組織分析表明，在相同連接條件下，納米銀燒結(jié)層組織均勻質(zhì)密，燒結(jié)接頭的連接界面顯示鍍銀層與納米銀燒結(jié)層形成了較好結(jié)合，見圖6a.由于納米銀膏中只有金屬銀及有機(jī)物，因此，燒結(jié)層中不存在釬焊接頭中類似的金屬間化合物，但部分燒結(jié)區(qū)域可能存在小量燒結(jié)過程中未完全揮發(fā)的有機(jī)物，它們可能會碳化后以C的形式存在(圖6b).由于燒結(jié)層主要由銀構(gòu)成，因此相對傳統(tǒng)封裝材料，納米銀燒結(jié)接頭的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能更好［7］.微米銀膏由于銀顆粒尺寸較大表面能低，在低溫低壓下燒結(jié)較困難［15］，僅局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)，連接界面間難以形成連續(xù)的冶金結(jié)合，易在鍍銀層與燒結(jié)層界面間形成微小裂紋(本質(zhì)是未焊合)(圖6c中區(qū)域(1))，使得界面間的連接強(qiáng)度較低.故其連接界面的冶金結(jié)合呈現(xiàn)非連續(xù)性，燒結(jié)層呈現(xiàn)為粗大的孔隙狀，如圖6c所示.與納米銀膏燒結(jié)接頭成份類似，微米銀膏燒結(jié)層主要以純銀為主 (圖6d).

圖6 納米銀膏、微米銀膏的接頭界面掃描電鏡圖及能譜分析

3 結(jié)論

1)納米銀膏在250℃燒結(jié)溫度、5min保溫時間及2～5 MPa的燒結(jié)壓力作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)連接.在相同燒結(jié)條件下，納米銀膏燒結(jié)接頭比微米銀膏燒結(jié)接頭具有更高的剪切強(qiáng)度.

2)納米銀膏和微米銀膏的燒結(jié)接頭顯微組織顯示，納米銀膏接頭燒結(jié)層與鍍銀層結(jié)合較好，接頭燒結(jié)層為多微孔組織，有利于延長電子器件的使用壽命;微米銀膏接頭燒結(jié)層則孔隙粗大，孔隙率高，且燒結(jié)接頭界面處存在裂紋，降低了接頭剪切強(qiáng)度.EDS分析顯示，兩種接頭的主要成份是Ag，可提高接頭的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，有利于接頭的高溫服役性能.

References)

［1］朱笑鶤，婁浩煥，瞿欣，等.電子封裝面臨無鉛化的挑戰(zhàn)［J］.電子與封裝，2005，5(5):2-8 Zhu Xiaokun，Lou Haohuan，Qu Xin，et al.The challenge of changeover to lead-free in electronic packaging［J］.Electronics＆ Packaging，2005，5(5):2-8(in Chinese)

［2］安榮，劉威，杭春進(jìn)，等.電子封裝與組裝焊點(diǎn)界面反應(yīng)及微觀組織研究進(jìn)展［J］.電子工藝技術(shù)，2011，32(6):321-325 An Rong，Liu Wei，Hang Chunjin，et al.Sn-based solder reaction and microstructure in electronic packaging and assembly［J］.E-lectronics Process Technology，2011，32(6):321-325(in Chinese)

［3］馬良，尹力夢，冼健威，等.高溫電子封裝無鉛化的研究進(jìn)展［J］.焊接技術(shù)，2009，38(5):6-10 Ma Liang，Yin Limeng，Xian Jianwei，et al.Research advancement of high temperature lead-free electronic packaging［J］.Welding Technology，2009，38(5):6-10(in Chinese)

［4］李聰，陳繼兵，安兵，等.微連接焊點(diǎn)熱循環(huán)可靠性的研究進(jìn)展［J］.電子工藝技術(shù)，2011，32(6):316-320 Li Cong，Chen Jibing，An Bing，et al.Review on reliability of micro-solder joints subjected to thermal cycling［J］.Electronics Process Technology，2011，32(6):316-320(in Chinese)

［5］鄒貴生，閆劍鋒，母鳳文，等.微連接和納連接的研究新進(jìn)展［J］.焊接學(xué)報，2011，32(4):107-112 Zou Guisheng，Yan Jianfeng，Mu Fengwen，et al.Recent progress in microjoining and nanojoining［J］.Transactions of the China Welding Institution，2011，32(4):107-112(in Chinese)

［6］楊艷，尹立孟，冼健威，等.綠色電子制造及綠色電子封裝材料［J］.電子工藝技術(shù)，2008，29(5):256-261 Yang Yan，Yin Limeng，Xian Jianwei，et al.Green manufacturing of electronics and materials for green electronic packaging［J］.Electronics Process Technology，2008，29(5):256-261(in Chinese)

［7］ Morita Toshiaki，Ide Eiichi，Yasuda Yusuke，et al.Study of bonding technology using silver nanoparticles［J］.Japanese Journal of Applied Physics，2008，47(8):6615-6622

［8］ Bufat Ph，Borel J P.Size effect on the melting temperature of gold particles［J］.Physical Review A，1976，13(6):2287-2298

［9］ Minoru Maruyama，Ryo Matsubayashiet，Hiroaki Iwakuro，et al.Silver nanosintering:a lead-free alternative to soldering［J］.Applied Physics A，2008(93):467-470

［10］閆劍峰，鄒貴生，李鍵，等.納米銀焊膏的燒結(jié)性能及其用于銅連接的研究［J］.材料工程，2010(10):5-8 Yan Jianfeng，Zou Guisheng，Li Jian，et al.Study on the sintering characteristics and application in Cu bulk bonding of Agnanoparticle paste［J］.Journal of Materials Engineering，2010(10):5-8(in Chinese)

［11］齊昆.納米銀焊膏低溫?zé)Y(jié)粘接可靠性研究［D］.天津:天津大學(xué)化工學(xué)院，2007 Qi Kun.A study of interconnection reliability for low-temperature sintered nano-silver paste［D］.Tianjin:School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，2007(in Chinese)

［12］ Bai John G，Zhang Zhiye Zach，Jesus N，et al.Low-temperature sintered nanoscale silver as a novel semiconductor device metalized substrate interconnect material［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2006，29(3):589-593

［13］ Yan Jianfeng，Zou Guisheng，Wang Xiaoyu，et al.Large-scale synthesis of Ag nanoparticles by polyol process for low temperature bonding application［C］//2011 International Conference on Electronic Packaging Technology＆High Density Packaging.Shanghai:IEEE/IEE Electronic Library(IEL)，2011:254-259

［14］ Bai John G，Lu Guoquan.Thermomechanical reliability of lowtemperature sintered silver die attached sic power device assembly［J］.IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，2006，6(3):436-441

［15］ Zhang Zhiye，Lu Guoquan.Pressure-assisted low-temperature sintering of silver paste as an alternative die-attach solution to solder reflow［J］.IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing，2002，25(4):279-283