納米銀漿低溫?zé)Y(jié)工藝及應(yīng)用可靠性

夏維娟 馮曉晶 胡 媛 周 澄 龍 旭

（1 空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100）

（2 西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072）

文 摘 為了探索納米銀漿在大功率器件組裝中的應(yīng)用可靠性，亟待獲得納米銀漿的燒結(jié)特性和熱力學(xué)性能。本文對不同燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、升溫速率、燒結(jié)方式的納米銀漿樣件燒結(jié)強(qiáng)度，結(jié)合燒結(jié)形貌進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與航天電子產(chǎn)品中常規(guī)的互連材料Au80Sn20焊料、Sn90.5Ag3Cu0.5焊料以及H20E 導(dǎo)電膠的散熱性進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明：采用可控升溫速率空氣氛圍的燒結(jié)方式，在200 ℃下保溫90 min，銀漿樣件的剪切強(qiáng)度最高可達(dá)40 MPa。納米銀漿導(dǎo)熱性能與Au80Sn20 相當(dāng)，明顯高于H20E 和SAC305。在經(jīng)歷嚴(yán)酷的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)后，其剪切強(qiáng)度保持穩(wěn)定，因此納米銀漿作為高導(dǎo)熱連接材料在宇航大功率器件組裝中具有良好的應(yīng)用前景。

0 引言

隨著電子產(chǎn)品向高功率、高密度和高集成度的發(fā)展，功率器件的散熱和多溫度梯度微組裝問題日益突出［1-4］。而航天器中的關(guān)鍵部件，如發(fā)射機(jī)、固放、相控陣TR 組件發(fā)射通道等微波有源產(chǎn)品中用到大量功率器件，隨著衛(wèi)星載荷功能復(fù)雜度提升的要求，三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的釬料和導(dǎo)電膠已經(jīng)很難滿足產(chǎn)品小型化多面集成的裝聯(lián)和散熱要求，連接材料的選擇已成為瓶頸技術(shù)之一［5］。

傳統(tǒng)的軟釬料是功率器件散熱的主要連接材料［6］，但是在多溫度梯度組裝中，為避免釬料重熔，要求每級組裝中使用的釬料熔點(diǎn)不同，這導(dǎo)致釬料在多溫度梯度中應(yīng)用受到很大限制，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)多芯片燒結(jié)工藝。導(dǎo)電膠黏劑具有固化溫度低、粘接工藝簡單的特點(diǎn)［7］，但是其導(dǎo)熱性較差，無法滿足大功率器件的散熱要求，也存在使用過程中由于導(dǎo)電膠熱疲勞效應(yīng)引起粘接強(qiáng)度逐漸減弱的問題［8］。而納米銀漿因其納米尺寸效應(yīng)，具有燒結(jié)溫度低、熱導(dǎo)率高、高溫環(huán)境應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)［9］，作為互連材料在大功率器件組裝應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。當(dāng)前人們對納米銀漿的研究，大多數(shù)集中在材料制備、性能表征分析方面［10-12］，對于納米銀漿無壓力燒結(jié)工藝及在宇航大功率器件應(yīng)用方面的研究相對較少［13-15］。

本文主要進(jìn)行了低溫?zé)o壓力納米銀漿燒結(jié)工藝的研究，對不同燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、升溫速率、燒結(jié)方式的納米銀漿樣件燒結(jié)強(qiáng)度對比，結(jié)合燒結(jié)形貌，明確最優(yōu)的燒結(jié)工藝參數(shù)。并與航天電子產(chǎn)品中常規(guī)的互連材料Au80Sn20 焊料、Sn90.5Ag3Cu0.5（SAC305）焊料以及H20E 導(dǎo)電膠的散熱性進(jìn)行了對比。初步探索了納米銀漿在大功率芯片中的應(yīng)用，獲得了納米銀漿的燒結(jié)特性和熱力學(xué)性能，以及評估了其宇航應(yīng)用可靠性，為后續(xù)納米銀漿在航天功率產(chǎn)品的應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

經(jīng)廣泛調(diào)研，本文選用了日本京瓷公司的一款商業(yè)化納米銀漿產(chǎn)品，主要成分為納米級銀顆粒、微米級銀顆粒與樹脂材料混合物，納米銀為片狀粉（Ag91wt%），其可采用低溫?zé)o壓力方式進(jìn)行燒結(jié)，并結(jié)合剪切強(qiáng)度、空洞率以及燒結(jié)最高溫度等材料本體性能指標(biāo)，該款納米銀漿較能符合功率芯片組裝的工況。

選用鎢銅（WuCu15）鍍金載體（尺寸為20 mm ×20 mm × 1.5 mm）和可伐（4J42）鍍金熱沉（尺寸為4 mm × 4 mm × 0.25 mm）進(jìn)行納米銀漿燒結(jié)工藝研究；選用可伐、硅鋁鍍金殼體和鍍金熱沉進(jìn)行納米銀漿燒結(jié)可靠性研究，選用鍍金鎢銅底座金屬管殼、鎢銅熱沉、砷化鎵芯片（尺寸為3.5 mm × 4 mm × 0.08 mm）組裝成功率模塊進(jìn)行不同連接材料散熱性研究。

1.2 樣品制備

為了進(jìn)行燒結(jié)工藝研究，將同規(guī)格可伐熱沉采用納米銀漿通過不同燒結(jié)工藝參數(shù)連接在鎢銅載體上，樣品制作如圖1（a）所示。為了驗(yàn)證納米銀漿在宇航應(yīng)用環(huán)境中的可靠性，將可伐熱沉采用納米銀漿分別燒結(jié)在可伐和硅鋁殼體中。為了進(jìn)行連接材料散熱性對比，首先采用Au80Sn20 焊料將砷化鎵芯片焊接在鎢銅熱沉上，熱沉通過不同的連接材料（H20E、SAC305、Au80Sn20、納米銀漿）組裝在管殼上，繼而再進(jìn)行金絲、金帶互聯(lián)，完成整個(gè)測試樣件的制備。

圖1 3種樣件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of three types of samples

1.3 實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)行納米銀漿燒結(jié)工藝的研究，采用燒結(jié)爐（空氣氛圍）在升溫速率設(shè)置為5 ℃/min 燒結(jié)溫度設(shè)置為200 ℃保持90 min燒結(jié)時(shí)間的基礎(chǔ)條件上，改變燒結(jié)參數(shù)，在不同燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和升溫速率條件下進(jìn)行燒結(jié)樣件制備；同時(shí)改變燒結(jié)方式，分別采用熱臺(tái)、鼓風(fēng)烘箱、充氮烘箱和燒結(jié)爐進(jìn)行樣件制備，前三者升溫速率不可控。采用Dage4000PLUS 進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試；采用FEI TM掃描電鏡觀察形貌。

為了驗(yàn)證納米銀漿燒結(jié)界面的長期可靠性，進(jìn)行了如表2 環(huán)境試驗(yàn)，采用Dage4000PLUS 進(jìn)行試驗(yàn)前后剪切強(qiáng)度測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切強(qiáng)度

表3為表1不同燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、升溫速率及燒結(jié)方式下納米銀漿樣件平均剪切強(qiáng)度對比結(jié)果?？梢姛Y(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間以及不同的燒結(jié)方式對剪切強(qiáng)度的影響較大。隨著燒結(jié)溫度增加，剪切強(qiáng)度呈上升趨勢。隨著燒結(jié)時(shí)間增加，剪切強(qiáng)度先上升而后略有下降。升溫速率為5 ℃/min 時(shí)剪切強(qiáng)度最大，增大升溫速率剪切強(qiáng)度則會(huì)明顯下降。采用燒結(jié)爐（空氣氛圍）形成的樣件燒結(jié)強(qiáng)度最大，而熱臺(tái)燒結(jié)方式強(qiáng)度最低。

表1 燒結(jié)工藝研究的實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Conditions of the sintering process

表2 可靠性環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件Tab.2 Conditions of the reliability experiment

表3 不同燒結(jié)條件下納米銀漿的剪切力測試結(jié)果Tab.3 Shear strength of silver nanoparticles under different sintering conditions

分析認(rèn)為，納米銀漿材料中含有納米銀顆粒、微米銀顆粒和防止銀漿中納米顆粒在室溫下團(tuán)聚而包覆在納米顆粒表面的高分子有機(jī)層等。因納米顆粒具有非常大的比表面積以及極小的表面曲率半徑，致使其在100 ℃就可以開始融化。而高分子有機(jī)層需要一定的熱分解溫度，其分解是納米顆粒燒結(jié)發(fā)生的前提條件，到達(dá)有機(jī)層熱分解溫度后，納米顆粒之間就會(huì)形成一定的燒結(jié)頸，隨之燒結(jié)頸逐步消失納米銀漿聚合互聯(lián)逐漸形成整體，并與互聯(lián)材料之間進(jìn)行原子間的相互擴(kuò)散。因此，當(dāng)燒結(jié)溫度過低或燒結(jié)時(shí)間過短時(shí)，納米銀漿中有機(jī)層揮發(fā)和分解不完全，燒結(jié)接頭內(nèi)部仍會(huì)存在較多的有機(jī)包覆層殘留物，導(dǎo)致燒結(jié)不充分，形成的接頭剪切強(qiáng)度較低。而過高的升溫速率易導(dǎo)致納米銀漿燒結(jié)過程中有機(jī)成分不能及時(shí)揮發(fā)從而形成的孔隙增大，進(jìn)而導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低。

不同的燒結(jié)方式下，熱臺(tái)從底面加熱，且加熱速率較快，燒結(jié)樣件的銀漿層上下面受熱不均勻，致使有機(jī)成分不易揮發(fā)。而充氮烘箱升溫不均勻，造成有機(jī)成分揮發(fā)不理想，易導(dǎo)致成局部燒結(jié)不完全。而燒結(jié)過程中的氧氣氛圍將有利于納米銀漿中有機(jī)成分氧化分解，在氮?dú)夥諊行枰叩臏囟却_保納米銀漿中的有機(jī)成分揮發(fā)。剪切形貌也進(jìn)一步證實(shí)了燒結(jié)氛圍對燒結(jié)結(jié)果的影響。

2.2 剪切形貌和SEM觀察

圖2 為納米銀漿燒結(jié)樣件45 倍下的剪切形貌。可以看出，燒結(jié)爐中燒結(jié)溫度≥150℃/90 min 燒結(jié)后，失效模式為銀漿層內(nèi)部斷裂，斷裂層表面比較光滑，存在有機(jī)物揮發(fā)后殘留的點(diǎn)狀孔隙。說明納米銀漿與基板鍍層發(fā)生了相互擴(kuò)散，接合良好。而其他燒結(jié)條件下的失效模式均是載體與納米銀漿結(jié)合面斷裂，表明銀漿與載體鍍層未達(dá)到有效擴(kuò)散，連接效果較差。結(jié)合圖3 不同燒結(jié)溫度下樣件的SEM 剪切形貌也可以看出，100 ℃燒結(jié)形成的結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率多，納米銀漿未形成有效連接結(jié)構(gòu)，而200 ℃燒結(jié)的結(jié)構(gòu)較為致密、孔隙較少。

圖2 不同燒結(jié)條件樣件的剪切形貌Fig.2 Morphology of sheared samples under different sintering conditions

圖3 不同溫度燒結(jié)樣件的剪切形貌Fig.3 Morphology of sheared samples at different sintering temperatures

從圖4可見，未燒結(jié)納米銀漿呈現(xiàn)出納米片狀結(jié)構(gòu)，含聚集的微米級塊狀凝聚體。對比不同燒結(jié)樣件，100 ℃下納米銀漿多數(shù)呈片狀結(jié)構(gòu)，孔隙較多，與未燒結(jié)［圖4（a）］形貌類似，說明該溫度下未形成有效燒結(jié)互連狀。圖4（c）200 ℃燒結(jié)10 min 形貌顯示相對未燒結(jié)情況，納米銀漿已形成一定的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但與90 min燒結(jié)時(shí)間相比，連接孔隙更多、組織致密化較低，但已形成有效的三維網(wǎng)絡(luò)互連結(jié)構(gòu)。圖4（c）（d）清晰體現(xiàn)了200 ℃燒結(jié)時(shí)納米銀漿顆粒燒結(jié)長大的情況，相鄰顆粒之間逐漸形成緊密連接，最后形成一定的燒結(jié)形貌，因有機(jī)包覆層的熱分解會(huì)會(huì)產(chǎn)生一定的燒結(jié)孔隙。同時(shí)不同燒結(jié)樣件SEM 能譜分析表明，未燒結(jié)和燒結(jié)溫度不夠時(shí)，納米銀漿內(nèi)部含有較多的C、O 元素，有機(jī)殘留物較多，而燒結(jié)完全時(shí)有機(jī)物分解較為完全，測試元素成分幾乎均為Ag。

圖4 不同燒結(jié)條件下樣件的SEM圖Fig.4 SEM images of samples under different sintering conditions

綜上可知，從燒結(jié)后的形貌可以看出，納米銀漿燒結(jié)溫度不夠或燒結(jié)時(shí)間過短，均不能形成有效的互連結(jié)構(gòu)形貌，納米銀漿燒結(jié)不完全且孔隙較多，這些將導(dǎo)致燒結(jié)樣件剪切強(qiáng)度明顯降低，與2.1節(jié)所得剪切力測試結(jié)果吻合。

2.3 結(jié)溫測試

對納米銀漿、常規(guī)H20E 導(dǎo)電膠、SAC305 及Au80Sn20焊料四種貼裝材料制備的散熱測試樣件進(jìn)行結(jié)溫測試。圖5 分別是不同加載功率下樣件的芯片結(jié)溫溫度結(jié)果與樣件熱阻計(jì)算結(jié)果。可以看出，隨著加載功率的增加，功率芯片結(jié)溫都呈升高的趨勢。其中，H20E 樣件芯片結(jié)溫最高，其次為SAC305、Au80Sn20 和納米銀漿。納米銀漿和Au80Sn20 比H20E 結(jié)溫低20 ℃左右，納米銀漿和Au80Sn20 兩者結(jié)溫相差2 ℃至3 ℃。熱阻測試隨著功率增加逐步趨于穩(wěn)定，H20E 粘接的樣件熱阻最大，H20E 和SAC305 的熱阻明顯高于Au80Sn20 和納米銀漿。納米銀漿熱阻測試結(jié)果略低于Au80Sn20，熱阻約為2.7 ℃/W 左右。由此可見，納米銀漿具有與Au80Sn20 焊料相同的導(dǎo)熱效果，可滿足大功率器件的散熱要求，具有良好的應(yīng)用前景。

圖5 不同加載功率下樣件結(jié)溫測試結(jié)果及熱阻計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of junction temperature and thermal resistance of bonding materials under different powers

2.4 可靠性驗(yàn)證

表4 為可伐殼體和硅鋁殼體納米銀漿燒結(jié)樣件可靠性試驗(yàn)前后剪切強(qiáng)度對比情況。可以看出，納米銀漿樣件燒結(jié)接頭在經(jīng)過125 ℃下168 小時(shí)穩(wěn)定性烘焙后，剪切強(qiáng)度均略有所上升，分析可能為經(jīng)過后續(xù)長時(shí)間的高溫烘烤少量的有機(jī)殘留成分更加有效地?fù)]發(fā)分解，致使強(qiáng)度增加。而樣件經(jīng)歷宇航可靠性試驗(yàn)后，剪切強(qiáng)度變化不明顯，原因在于納米銀漿材料熔融后通過與互連材料之間原子的相互擴(kuò)散，對于待連接的銀、金鍍層的界面，由于具有相同或相近的化學(xué)性質(zhì)和晶格參數(shù)，可以在原子之間建立強(qiáng)化學(xué)鍵，形成牢固連接，且燒結(jié)后銀含量達(dá)99%以上，表面在燒結(jié)完成后，在高溫及較強(qiáng)的熱應(yīng)力作用下仍能保持較好燒結(jié)強(qiáng)度穩(wěn)定性。

表4 可伐和硅鋁殼體樣件可靠性試驗(yàn)前后剪切強(qiáng)度對比Tab.4 Comparison of shear strengths before and after reliability tests of the samples sintered on shell

3 結(jié)論

（1）燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)方式對納米銀漿燒結(jié)后的剪切強(qiáng)度影響都很大，升溫速率影響相對較小。其中，當(dāng)采用燒結(jié)爐保持空氣氛圍、燒結(jié)溫度200 ℃、燒結(jié)時(shí)間90 min、可控升溫速率為5 ℃/min時(shí)，所獲得的納米銀漿燒結(jié)件剪切強(qiáng)度較大。

（2）當(dāng)燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間不充分時(shí)，納米銀漿均不能形成有效的互連結(jié)構(gòu)，孔隙較多，尤其是燒結(jié)溫度不夠，納米銀漿中有機(jī)包覆層分解不完全，銀漿不能有效熔融互連。燒結(jié)SEM結(jié)果表明，互連結(jié)構(gòu)仍存在一定因有機(jī)成分揮發(fā)等多種因素造成的孔隙。

（3）散熱性測試結(jié)果表明，納米銀漿具有與Au80Sn20 相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱能力，其熱阻明顯低于H20E和SAC305，在功率器件組裝中具有良好的應(yīng)用前景。

（4）在經(jīng)歷宇航溫度125 ℃烘烤168 h、110 次溫度循環(huán)（-55～125 ℃，溫度轉(zhuǎn)換1 min）及4.9×104m/s2加速度后，納米銀漿樣件的剪切強(qiáng)度保持不變，具有較高的穩(wěn)定性，未出現(xiàn)燒結(jié)性能退化的現(xiàn)象，具有較好的宇航應(yīng)用可靠性。