本發(fā)明涉及電子封裝制備領(lǐng)域，具體涉及一種低溫?zé)Y(jié)的錫摻雜納米銀焊膏的制備方法。

背景技術(shù)：

納米銀焊膏由于能夠?qū)崿F(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，且燒結(jié)完成后為單質(zhì)銀層多孔材料，具有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能和可靠性，以及可以應(yīng)用于高溫環(huán)境，而成為一種高功率器件的芯片級(jí)連接材料。但是，和普通的合金焊料相比，納米銀焊膏燒結(jié)溫度(280℃)過(guò)高，并不適用于工業(yè)應(yīng)用，而且市面上很多的印刷電路板等電子材料在封裝過(guò)程中承受不了太高的燒結(jié)溫度，所以降低納米銀焊膏的燒結(jié)溫度非常迫切。

目前，降低納米銀燒結(jié)溫度的方法主要有兩種，一種是在納米銀焊膏的燒結(jié)過(guò)程中施加一定的壓力，但是這種方法很有可能會(huì)造成電子器件的損壞，增加工藝的復(fù)雜性；另一種方法是減少納米銀粒子的粒徑，但是這種方法會(huì)增加操作成本。就100nm粒徑的納米銀焊膏來(lái)說(shuō)，低溫下燒結(jié)時(shí)(燒結(jié)過(guò)程中不施加壓力)不能形成致密體，所以強(qiáng)度并不是很高。按照細(xì)晶強(qiáng)化的理論，如果添加細(xì)小的sic粒子，使其在燒結(jié)過(guò)程中為納米銀粒子提供形核核心細(xì)化晶粒可以提高基體強(qiáng)度，但是sic和納米銀的結(jié)合性能并不是很好，而且sic導(dǎo)電性能不好，容易在器件的使用過(guò)程中提供失效的來(lái)源。

液相燒結(jié)技術(shù)的出現(xiàn)，給我們提供了另一種低溫下提高強(qiáng)度的思路。通過(guò)液相燒結(jié)的理論，我們將銀和錫混合，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到錫熔點(diǎn)時(shí)，低熔點(diǎn)的錫熔化，此時(shí)，液相錫和固態(tài)銀的相互擴(kuò)散加快，液態(tài)的錫擴(kuò)散進(jìn)入銀的基體中，產(chǎn)生毛細(xì)作用力，發(fā)生銀原子重排和致密化。等溫凝固過(guò)程后，銀錫間相互擴(kuò)散形成穩(wěn)定的ag3sn金屬間化合物。最終得到燒結(jié)銀基體和彌散分布的ag3sn金屬間化合物。這個(gè)過(guò)程中，由于發(fā)生了細(xì)晶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化以及形成了第二相粒子，會(huì)提高銀基體的連接強(qiáng)度。

由于銀錫顆粒包覆著有機(jī)溶劑，需要在不同的溫度保溫將有機(jī)溶劑揮發(fā)以讓二者進(jìn)行有效的擴(kuò)散，形成理想的燒結(jié)結(jié)構(gòu)。所以我們制定了合適的燒結(jié)工藝對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了降低納米銀焊膏的燒結(jié)溫度，基于瞬態(tài)液相燒結(jié)理論，以納米銀為基體，微米錫為摻雜金屬，利用物理方法制備了錫摻雜納米銀焊膏(tdsp)，從而使焊膏的燒結(jié)溫度進(jìn)一步降低至235℃，圖1為tdsp未燒結(jié)宏觀形貌。tdsp的燒結(jié)是一個(gè)由固態(tài)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃簲U(kuò)散的過(guò)程，擴(kuò)散過(guò)程中由于液相的出現(xiàn)，加快了粒子的遷移速率，燒結(jié)也更為致密，其過(guò)程如圖2中a、b兩元素瞬態(tài)液相燒結(jié)過(guò)程所示。通過(guò)對(duì)235℃下燒結(jié)的6×6mm²硅基芯片接頭進(jìn)行剪切測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米銀焊膏中的錫摻雜量達(dá)到4wt.％時(shí)，燒結(jié)tdsp接頭連接強(qiáng)度可達(dá)到23mpa。通過(guò)對(duì)燒結(jié)tdsp的微觀分析，發(fā)現(xiàn)隨著摻雜的錫的含量的增多，銀基體xrd峰向右偏移，如圖3所示，ag3sn金屬間化合物的相對(duì)含量增多，不斷起到第二相強(qiáng)化的作用,圖4為tdsp燒結(jié)后微觀形貌。此外，通過(guò)如圖5(a)所示的tem檢測(cè)和圖5(b)和(c)所示的edsag元素面掃描和sn元素面掃描檢測(cè)得到的固溶體也進(jìn)一步驗(yàn)證了燒結(jié)接頭的固溶強(qiáng)化機(jī)制對(duì)連接強(qiáng)度的提高也起到了重要的作用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

低溫?zé)Y(jié)的錫摻雜納米銀焊膏的制備方法，步驟如下:

1)配置錫膏:按照錫粉末和助焊劑質(zhì)量比為9:1配置原料為sn元素的粉末和松香助焊劑，通過(guò)攪拌完成微米錫膏；

2)按照銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90-99％，錫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-10％；稱量納米銀焊膏和微米錫膏加入松油醇溶解，先利用螺旋振蕩器進(jìn)行機(jī)械振蕩,然后用超聲清洗器進(jìn)行超聲振蕩，得到混合物；

3)將混合物在70℃恒溫水浴揮發(fā)，直至成膏狀。

所述步驟1)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌1-2小時(shí)，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1000-2000rpm/min。

所述步驟2)中螺旋振蕩器進(jìn)行機(jī)械振蕩時(shí)間為25-35min；超聲清洗器進(jìn)行超聲振蕩時(shí)間為55-65min，振蕩功率為100-200w。

所述松香助焊劑配方松香粉末：異丁醇：松油醇為0.5g：1ml：0.5ml。

錫摻雜納米銀焊膏低溫?zé)Y(jié)方法:升溫速率為5-10℃/min，室溫升高到50-70℃保溫10-20min，繼續(xù)升溫到180-220℃保溫20-60min，升溫至燒結(jié)溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結(jié)過(guò)程中不加壓力，不需要惰性氣體保護(hù)，最高燒結(jié)溫度為235℃。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提供了一種低溫?zé)Y(jié)的錫摻雜納米銀焊膏的制備方法，該方法發(fā)明工藝程序嚴(yán)密，實(shí)施嚴(yán)謹(jǐn)；燒結(jié)溫度低于傳統(tǒng)銀焊膏，工藝程序無(wú)需加壓，燒結(jié)過(guò)程中無(wú)需惰性氣體保護(hù)，成本適中，具有應(yīng)用價(jià)值。

(2)本發(fā)明制備了連接強(qiáng)度較高的連接接頭。與單純的納米銀焊膏相比，相同的燒結(jié)工藝下，燒結(jié)后連接強(qiáng)度增高一倍。

附圖說(shuō)明

圖1為tdsp未燒結(jié)宏觀形貌；

圖2為瞬態(tài)液相燒結(jié)過(guò)程；

圖3為燒結(jié)tdsp的xrd圖；

圖4為tdsp燒結(jié)后微觀形貌；

圖5為燒結(jié)ag+4wt.％sn膏體接頭連接層(a)tem圖片；(b)ag元素面掃描；(c)sn元素面掃描。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

(1)錫膏的配置：原料為sn元素的粉末(粒徑為10μm)以及松香助焊劑(規(guī)格如表1所示)。按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比計(jì)算(錫粉末和助焊劑質(zhì)量比為9:1)，采用電子分析天平稱取各種原料，通過(guò)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌2小時(shí)使其混合均勻，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm/min；完成錫膏的配置。

表1實(shí)驗(yàn)藥品

(2)tdsp的配置：將納米銀焊膏和微米錫膏按照質(zhì)量比例稱量于試管中，使得銀和錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為96:4。加入松油醇充分溶解，先后分別利用螺旋振蕩器進(jìn)行機(jī)械振蕩(振蕩時(shí)間為30min)和超聲清洗器進(jìn)行超聲振蕩(振蕩時(shí)間為60min，振蕩功率為100w)。

(3)tdsp的成型：將混合物倒入坩堝(規(guī)格10ml)中，恒溫(70℃)水浴揮發(fā)，直至成膏狀。

燒結(jié)工藝：升溫速率為5℃/min，室溫升高到50℃保溫20min，繼續(xù)升溫到200℃保溫40min，升溫至燒結(jié)溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結(jié)過(guò)程中不加壓力，不需要惰性氣體保護(hù)，最高燒結(jié)溫度為235℃。

實(shí)施例2：

(1)錫膏的配置：原料為sn元素的粉末(粒徑為10μm)以及松香助焊劑(規(guī)格如表1所示)。按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比計(jì)算(錫粉末和助焊劑質(zhì)量比為9:1)，采用電子分析天平稱取各種原料，通過(guò)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌1小時(shí)使其混合均勻，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1000rpm/min；完成錫膏的配置。

表1實(shí)驗(yàn)藥品

(2)tdsp的配置：將納米銀焊膏和微米錫膏按照質(zhì)量比例稱量于試管中，使得銀和錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為99:1。加入松油醇充分溶解，先后分別利用螺旋振蕩器進(jìn)行機(jī)械振蕩(振蕩時(shí)間為25min)和超聲清洗器進(jìn)行超聲振蕩(振蕩時(shí)間為55min，振蕩功率為200w)。

(3)tdsp的成型：將混合物倒入坩堝(規(guī)格10ml)中，恒溫(70℃)水浴揮發(fā)，直至成膏狀。

燒結(jié)工藝：升溫速率為7℃/min，室溫升高到60℃保溫15min，繼續(xù)升溫到180℃保溫60min，升溫至燒結(jié)溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結(jié)過(guò)程中不加壓力，不需要惰性氣體保護(hù)，最高燒結(jié)溫度為235℃。

實(shí)施例3：

(1)錫膏的配置：原料為sn元素的粉末(粒徑為10μm)以及松香助焊劑(規(guī)格如表1所示)。按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比計(jì)算(錫粉末和助焊劑質(zhì)量比為9:1)，采用電子分析天平稱取各種原料，通過(guò)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌1.5小時(shí)使其混合均勻，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm/min；完成錫膏的配置。

表1實(shí)驗(yàn)藥品

(2)tdsp的配置：將納米銀焊膏和微米錫膏按照質(zhì)量比例稱量于試管中，使得銀和錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為90:10。加入松油醇充分溶解，先后分別利用螺旋振蕩器進(jìn)行機(jī)械振蕩(振蕩時(shí)間為35min)和超聲清洗器進(jìn)行超聲振蕩(振蕩時(shí)間為65min，振蕩功率為150w)。

(3)tdsp的成型：將混合物倒入坩堝(規(guī)格10ml)中，恒溫(70℃)水浴揮發(fā)，直至成膏狀。

燒結(jié)工藝：升溫速率為10℃/min，室溫升高到70℃保溫10min，繼續(xù)升溫到220℃保溫20min，升溫至燒結(jié)溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結(jié)過(guò)程中不加壓力，不需要惰性氣體保護(hù)，最高燒結(jié)溫度為235℃。