[發明專利]一種抗電化學遷移型納米銀復合焊膏材料的制備方法

在審

• 申請號: 201910361006.4
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110102934A
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 周輕軒
• 申請（專利權）人: 周輕軒
• 主分類號: B23K35/40
• 分類號: B23K35/40
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種抗電化學遷移型納米銀復合焊膏材料的制備方法，屬于焊接材料技術領域。本發明技術方案采用溶膠復合方案，將鈀鎳復合溶膠與銀納米顆粒進行有效復合，由于通過溶膠凝膠法，雙金屬納米顆粒表面的Pd原子分散更加均勻，同時，由于納米銀很容易團聚，為了阻止納米銀的團聚，采用表面活性劑，以平躺的方式在銀粒子表面形成膠束，作為一層位阻層，阻止納米銀的團聚長大，同時由于復合溶膠材料面帶負電，而且銀顆粒表面吸附的表面活性劑使納米銀表面帶正電，表面活性劑對復合凝膠顆粒在納米銀表面的沉積起到定向作用，最終形成核殼結構的復合顆粒，使其不易團聚和分散，進一步改善材料的結構強度和分散性能。

技術領域

本發明涉及一種抗電化學遷移型納米銀復合焊膏材料的制備方法，屬于焊接材料技術領域。

背景技術

將金屬銀用作封裝連接材料的研究可以追溯到上世紀八十年代，將微米級的銀顆粒和銀片作為連接材料，并施加約40MPa的壓力作為燒結驅動力，實現了芯片和基板在低溫下的連接。上述低溫連接技術的燒結機理是固相擴散而引發的致密化過程，由于燒結過程中需要借助外部壓力作為燒結驅動力，因此屬于壓力輔助燒結。試驗證明，采用壓力輔助燒結技術，燒結溫度最低可降至250℃，芯片和基板連接層的致密度可達到85%，而且連接接頭具有良好的電、熱和機械性能，其連接強度可達穩定的30MPa。然而，這種壓力輔助燒結技術需要額外的工藝設備，成本高且操作復雜，而且施加過高的壓力會造成芯片和基板的失效。因此，應采取措施適當減小甚至去除燒結時所需施加的壓力。不少研究者通過減小銀顆粒的尺寸到亞微米級并施加幾兆帕的壓力作為輔助的燒結驅動力，實現了芯片和基板之間的連接。到本世紀初，將銀顆粒的粒徑尺寸減小到納米級別，并添加有機成分改善其粘性，制成了納米銀焊膏。它代替微米級別的銀粉末和片狀銀作為新型連接材料，成功降低了燒結溫度和所必需的輔助壓力，甚至可以在無壓的條件下，實現功率半導體器件與基板之間的連接。納米銀焊膏的燒結機理與微米級別的銀粉末和片狀銀的燒結機理相似，都是通過固相擴散實現銀連接層的致密化。不同的是，片狀銀的燒結過程需要施加外界壓力作為燒結驅動力，而對于納米銀焊膏而言，納米級別的銀粒子具有較高的表面能，為燒結提供了驅動力，不再需要施加壓力輔助燒結。然而，事物總有兩面性，雖然納米級別的銀粒子為燒結提供了驅動力，但是其團聚以及顆粒間的聚合現象卻是非常嚴重的。為了解決這一問題，通過添加表面活性劑（通常是脂肪酸族）、稀釋劑（通常是低分子量的聚合物）等來阻止顆粒之間的團聚和聚合等現象的發生。

關于銀的電化學遷移現象的首次發現是在實驗室中，在電話交換機的鍍銀端子上發現的，他們認為該現象是由較高的電壓和較高的環境濕度造成的。此外，研究工作者還對功率半導體封裝中常用的金屬進行了電化學遷移試驗，結果表明，金屬發生電化學遷移的敏感性由強到弱排序為：Ag、Pb、Cu、Zn。因此，銀是最容易發生電化學遷移的金屬之一。到目前為止，許多學者針對銀的電化學遷移現象展開了大量的研究，例如銀電化學遷移的影響因素、銀的電學遷移機制（常溫潮濕環境和高溫干燥環境）以及改善銀的電化學遷移行為的措施等。研究表明電極間直流電壓，電極間距，環境溫度以及絕緣基板材料等都是影響銀電化學遷移的可能因素。

一直以來，Sn-Pb焊料以其良好的潤濕性、焊接可靠性和穩定性等優點廣泛應用在電子工業中。然而，Pb含有毒性，污染環境并嚴重影響人類和牲畜的生存質量。基于環境保護的要求，電子產品的無鉛化也被提上了日程。隨著歐盟通過電子電氣設備指令和電子電氣設備中禁止使用某些有害物質的指令，我國針對無鉛化趨勢的到來，也出臺了《電子信息產業部污染防護管理辦法》。電子工業呼吁采用綠色電子材料，電子產品必須要向無鉛化轉變，無鉛化焊料的研究和開發已經迫在眉睫。以Sn為基體，加入Ag、Cu、Sb、In等金屬的焊料合金是目前功率半導體器件封裝中最常用到的無鉛焊料。這其中SnAgCu和SnCu兩類焊料的應用是最廣泛的。SnAgCu焊料的共晶溫度高于SnPb焊料，高溫穩定性好，而且共晶形成的金屬間化合物彌散分布在基體上，機械性能優良；缺點是潤濕性相對SnPb焊料較差。SnCu焊料的優點是原料價格便宜；缺點是潤濕性差，力學性能差。因此，與SnPb焊料對比，無鉛焊料仍存在潤濕性差、熔點高等主要問題。