CN111230353B - 一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法及其应用 - Google Patents

一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改善银电迁移的纳米Ag‑SnO2焊膏制备方法及其应用，包括以下制备步骤：S1.将氧化锡颗粒与稀释剂充分混合得到第一混合物；S2.将纳米银颗粒与稀释剂，粘合剂，表面活性剂混合后得到第二混合物；S3.将所述第一混合物加入第二混合物中，搅拌均匀，离心制得Ag‑SnO2纳米焊膏。通过添加氧化锡改变纳米银互联材料的氧分压，减少电迁移现象的产生；银和锡原子生成的Ag3Sn阻碍银电迁移，从而延长电子封装互连材料的使用寿命；本发明工艺流程简单，成本低，适用于工业应用。

Description

一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及电子封装芯片互连先进材料领域，尤其涉及一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法及其应用。
背景技术
随着电子科学技术的快速发展，人们对于电子电力器件的性能要求不断的提升。宽带隙半导体功率芯片例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)由于其在高温大功率或者高散热应用条件下的优势得到了迅速地发展。而其工作的高温条件(高于250℃)对传统封装工艺提出了极大挑战。因此，研究宽禁带半导体功率器件的芯片互连级封装对其在高温下的应用尤为重要，而这根本就需要研究和开发一种具有良好热、电、机械性能以及高温可靠性能的芯片互连材料。近年来国内外提出用纳米金属烧结封装电子芯片的方案引起了广泛关注，其基本原理是利用纳米金属颗粒的高表面能、低熔点特性来实现低温低压烧结封装。基于此原理，纳米银膏低温烧结连接成为近年的研究热点。纳米银膏烧结封装具有低温低压烧结特性，且烧结层理论上可耐960℃以下的高温，同时银具有良好的导电导热及延展性，故可用于高温电子产品的封装。然而纳米银焊膏在其使用过程中产生的电迁移现象影响了其发展。
研究发现，纳米银焊膏中的氧分压对于银的电迁移有很大的影响作用。锡金属材料是使用最为广泛的材料，然而随着电子行业的发展，高温芯片的不断发展，锡较低服役温度限制了其发展，而氧化锡是一种稳定的导电材料，被用作工业掺杂材料。本发明解决的技术问题：减少纳米银焊膏在使用过程中因电迁移而发生电流泄露造成封装失效现象。
发明内容
本发明要解决现有方法制备的纳米银的高成本及锡焊膏烧结材料的服役温度问题而提供了一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法，包括以下制备步骤：
S1.将氧化锡颗粒与稀释剂混合得到第一混合物；
S2.将纳米银颗粒与稀释剂，粘合剂，表面活性剂混合后得到第二混合物；
S3.将所述第一混合物加入第二混合物中，搅拌均匀，离心制得Ag-SnO2纳米焊膏；
所述氧化锡颗粒的质量与稀释剂的质量比为1:1～2.5；
Ag-SnO2纳米焊膏中银的质量百分数为98.90％～67.92％；
第一混合物的质量占第一混合物和第二混合物总质量的质量百分数为 0.09％～39.76％。
氧化锡的电导率随着温度的增加而升高，氧化锡由于晶体中的氧空位缺陷而呈现N型半导体性质，温度升高，载流子运动速度加快，因而电导率增加，且其导热性好，化学性质稳定，可以作为新型的高温芯片互连材料。
优选地，所述氧化锡颗粒尺寸为20～100nm，所述纳米银焊膏的颗粒尺寸为20～100nm。
纳米银焊膏与纳米二氧化锡粒径保持相似，利于其混合物性能的体现；银的电迁移与氧的分压紧密相关，例如Ag-SnO2中的氧化锡对银的电化学迁移有减缓作用，能有效改善银的电迁移。
优选地，所述稀释剂选自松油醇，乙醇，乙二醇，异丁醇中的一种或几种混合物。
添加稀释剂是为了调整焊膏的粘度以便于纳米Ag-SnO2焊膏的涂敷、印刷。
优选地，所述粘合剂选自聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛。
优选地，所述表面活性剂为脂肪酸甘油酯。
优选地，所述S3中搅拌条件为转速1000～2000r/min，时间30～60s。
它的作用是能同时进行高粘度材料的搅拌和分散，可以帮助纳米颗粒分散从而制得Ag-SnO2焊膏。
一种由以上方法制备的纳米氧化锡银复合焊膏的烧结方法，包括以下步骤：
S1.将所述纳米氧化锡银复合焊膏涂覆在基板上；
S2.芯片贴合；
S3.烧结，冷却，完成器件制备。
纳米氧化锡银复合焊膏可应用于汽车电子，电力电子，IGBT，宽禁带半导体封装等技术领域。
纳米银焊膏烧结过程中产生的氧化银会在250℃分解产生氧气从而加剧银的电迁移，本发明烧结后的Ag-SnO2纳米焊膏中氧化锡可影响高温服役电子封装互连材料中的氧分压，从而促使银离子化所需氧的含量也降低，降低银离子的含量，有效改善银的电迁移。同时，Ag与Sn原子反应生成的Ag3Sn会减少，而Ag3Sn有阻碍银电迁移的作用。
优选地，S1中所述纳米氧化锡银复合焊膏厚度为25-35μm。
优选地，所述S3烧结条件为压力10-20MPa；烧结过程为：快速升温至160℃，保持恒温15min-30min；快速升温至180℃，保持恒温15min-30min；快速升温至230℃-250℃，恒温50min-80min。
如果是小尺寸芯片无需加压，无需惰性气体保护。
本发明的有益效果至少包括:
1.通过添加氧化锡改变纳米银互联材料的氧分压，减少电迁移现象的产生。
2.银和锡原子生成的Ag3Sn阻碍银电迁移，从而延长电子封装互连材料的使用寿命。
3.本发明工艺流程简单，成本低，适用于工业应用。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1
S1.将尺寸为25nm的氧化锡颗粒与稀释剂充分混合得到第一混合物，氧化锡与稀释剂的混合物的质量百分数为6％；S2.将尺寸为25nm纳米银颗粒与稀释剂(松油醇与乙醇)，粘合剂(聚乙烯醇)，表面活性剂(脂肪酸甘油酯)混合后得到第二混合溶液；S3.将所述第一混合物加入第二混合溶液中，第一混合物的质量占第一混合物和第二混合物总质量的质量百分数为6％，搅拌均匀转速 1500r/min，通过离心制得Ag-SnO2纳米焊膏，其电导率为125±10W/mK。
实施例2
S1.将尺寸为25nm的氧化锡颗粒与稀释剂充分混合得到第一混合物，氧化锡与稀释剂的混合物的质量百分数为6％；S2.将尺寸为25nm纳米银颗粒与稀释剂(松油醇与乙醇)，粘合剂(聚乙烯醇)，表面活性剂(脂肪酸甘油酯)混合后得到第二混合溶液；S3.将所述第一混合物加入第二混合溶液中，第一混合物的质量占第一混合物和第二混合物总质量的质量百分数为15％，搅拌均匀转速 1500r/min，通过离心制得Ag-SnO2纳米焊膏，其热导率为125±10W/mK。
实施例3
S1.将尺寸为25nm的氧化锡颗粒与稀释剂充分混合得到第一混合物，氧化锡与稀释剂的混合物的质量百分数为6％；S2.将尺寸为25nm纳米银颗粒与稀释剂(松油醇与乙醇)，粘合剂(聚乙烯醇)，表面活性剂(脂肪酸甘油酯)混合后得到第二混合溶液；S3.将所述第一混合物加入第二混合溶液中，第一混合物的质量占第一混合物和第二混合物总质量的质量百分数为30％，搅拌均匀转速 1500r/min，通过离心制得Ag-SnO2纳米焊膏，其热导率为125±10W/mK。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
S1.将氧化锡颗粒与稀释剂混合得到第一混合物；
S2.将纳米银颗粒与稀释剂，粘合剂，表面活性剂混合后得到第二混合物；所述粘合剂选自聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛；所述稀释剂选自乙二醇，异丁醇中的一种或几种混合物；
S3.将所述第一混合物加入第二混合物中，搅拌均匀，离心制得Ag-SnO2纳米焊膏；
所述Ag-SnO2纳米焊膏中氧化锡可影响高温服役电子封装互连材料中的氧分压，从而促使银离子化所需氧的含量也降低，降低银离子的含量，有效改善银的电迁移；同时所述搅拌使得所述第一混合物加入第二混合物中颗粒混合均匀便于在烧结过程中高温下反应生成Ag3Sn并阻碍银电迁移的作用；
所述氧化锡颗粒的质量与稀释剂的质量比为1:1～2.5；
所述Ag-SnO2纳米焊膏中银的质量百分数为98.90％～67.92％；
第一混合物的质量占第一混合物和第二混合物总质量的质量百分数为0.09％～39.76％。
2.如权利要求1所述的一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法，其特征在于：所述氧化锡颗粒尺寸为20～100nm，所述Ag-SnO2纳米焊膏的颗粒尺寸为20～100nm。
3.如权利要求1所述的一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为脂肪酸甘油酯。
4.如权利要求1所述的一种改善银电迁移的纳米Ag-SnO2焊膏制备方法，其特征在于：所述S3中搅拌条件为转速1000～2000r/min，时间30～60s。
5.一种采用由权利要求1-4任一所述方法制备的纳米氧化锡银复合焊膏的烧结方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将所述纳米氧化锡银复合焊膏涂覆在基板上；
S2.芯片贴合；
S3.烧结，冷却，完成器件制备。
6.如权利要求5所述的烧结方法，其特征在于：所述S1中纳米氧化锡银复合焊膏厚度为25-35μm。
7.如权利要求5所述的烧结方法，其特征在于：所述S3烧结条件为压力10-20MPa；烧结过程为：快速升温至160℃，保持恒温15min-30min；快速升温至180℃，保持恒温15min-30min；快速升温至230℃-250℃，恒温50min-80min。
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