一种芯片封装用低温烧结混合型导电银浆及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种芯片封装用低温烧结混合型导电银浆及其制备方法。低温烧结混合型导电银浆包括导电银粉和有机载体；导电银粉占50‐95wt％，有机载体占5‐50wt％；导电银粉含有20‐60wt％微米级片状银粉、5‐40wt％亚微米级球形银粉和20‐60wt％纳米级球形银粉；有机载体含有3‐30wt％的粘结剂、40‐97.9wt％的溶剂和0.01‐30wt％的其它添加剂。本发明专利技术微米银粉与亚微米银粉表面改性的方式可以使改性后表面分散剂的分解温度与此类型的水基离子型分散剂的分解温度相适应，从而实现混合银浆的低温烧结。

【技术实现步骤摘要】
一种芯片封装用低温烧结混合型导电银浆及其制备方法
本专利技术涉及一种导电银浆，具体涉及一种芯片封装用低温烧结混合型导电银浆及其制备方法，特别适用于高功率芯片封装及导电线路的形成；属于电子封装材料领域。
技术介绍
近年来随着大功率半导体元器件应用的不断扩大，对电子封装互连材料提出了更高的要求。大功率芯片，如碳化硅和氮化镓的使用温度很高，且电流密度较大，即要求互连材料可以承受超过200℃的使用温度，并能够承受高的电流密度。在这样的使用条件下，电子封装领域传统的锡铅钎料与无铅钎料均不能满足这样的使用条件。而纳米银以其极高的表面能，可以使得含有纳米银的导电浆料在实现低温烧结，高温服役，其烧结温度可低至250℃，甚至室温，而其烧结后形成的银焊点，再次熔化温度理论上可达到961℃(银的熔点)。并且银具有高的热导率与电导率，抗腐蚀以及抗蠕变的性能，且在服役过程中不存在固态老化现象，因此特别适用于大功率半导体产品。在导电浆料中，将微米级与纳米级的银粉进行混合，以微米银粉作为结构支撑，以纳米银粉填充缝隙，在缝隙中实现烧结。在仅使用于纳米银的纳米银浆中，由于纳米银超高的表面能，导致剧烈的收缩，存在极大的内用力，容易引起裂纹与龟裂，严重恶化了纳米银浆烧结银焊点的力学性能与电学性能。而微米银与亚微米银粉的引入，可以减小这种内应力的产生，而使得烧结后形成的银焊点具有比纳米银浆烧结后形成的银焊点更加致密的结构，从而具有更加优异的力学性能、电学性能和导热性能。同时混合银浆与纳米银浆相比，混合银浆的纳米银粉的用量小，使得原料成本被降低。微米银、亚微米银与纳米银混合制备导电银浆可以充分利用不同粒径和形貌的配合，使银粉在结构上形成更加致密堆积的状态。中国专利技术专利申请CN105632588A使用片状微米银粉、球形亚微米银粉与纳米银粉混合制备导电银浆，但是由于树脂基体的引入使其无法在高温下使用；中国专利技术专利申请CN102592710A使用了微米银粉与亚微米银粉混合制备导电银浆，但是由于玻璃相的引入使其烧结温度高于850℃。过高的温度将对芯片与基板造成严重的损伤并使器件失效；且高温烧结时导电银浆与基板与芯片之间因热膨胀系数失配带来的内应力将急剧增大，从而加速了烧结焊点失效严重影响了导电银浆烧结焊点的可靠性。为了实现低温烧结，针对纳米银粉现有技术选用离子型的有机分散剂，该类分散剂与非离子型的有机分散剂相比，具有更低的分解温度和更加稳定的分散效果。如中国专利技术专利申请CN105414556A使用柠檬酸钠作为分散剂，在去离子水中合成制备的纳米银粒子，烧结温度可降低至200℃以下，并通过减薄技术提高了纳米银浆的导热性能。但因为在制备混合导电银浆的过程中，需要添加粘结剂及一些其它的有机添加剂，以实现良好的烧结性能，而这些粘结剂及有机添加剂要溶解在有机溶剂中，是这种类型的分散剂在有机溶剂中很难电解，而失去了双电层的分散优势，而使得包覆有离子型分散剂的纳米银粒子在有机溶剂中易于聚集沉降、分散性差、发生与微米银粒、亚微米银混合不均匀的现象。因而该类离子型的分散剂在微米、亚微米、纳米混合银浆的制备中的应用受到了限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的问题，提供了一种烧结温度低于250℃且分散均匀，成本低，致密度高，孔隙率低至2.2％的芯片封装用低温烧结混合型导电银浆及其制备方法；本专利技术提供了一种有效的溶剂复配方案，既可以使离子型分散剂柠檬酸钠在有机溶剂体系中充分的电解，使纳米粒子的充分分散，实现较低温度下的烧结；又可以溶解粘结剂及其它有机添加剂，使制备的混合型导电银浆具有更优异的力学及电学性能。具体是，本专利技术提供了一种微米银粉与亚微米银粉表面改性的方式，使微米银粉与亚微米银粉表面的润滑层被多元有机酸替代。其可以在溶剂体系中充分分散，在实现三种粒子的均一互混的前提下，分解温度在150℃以下，近似于柠檬酸钠与纳米银粒子表面的非桥接羟基脱离的温度，使烧结时纳米银与微米银、亚微米银之间在良好的接触，从而实现混合银浆的低温烧结。本专利技术为了实现微米、亚微米、纳米银的均一互溶，对微米银与亚微米银粉进行表面改性，使表面的润滑剂被去除或被其他分散剂取代，使微米银粉良好的分散在选定的有机溶剂体系中，并且被取代的分散剂的分解温度低于或近似于纳米银粉分散剂的分解温度，否则，纳米银与微米银、亚微米银之间无法形成良好接触，会使得纳米银粉之间先进行接触烧结，而使其有效半径减少，烧结驱动降低，严重影响烧结质量。本专利技术提供了可以溶解水基纳米银粒子的有机载体体系，该有机载体体系既可以使柠檬酸钠等离子型分散剂有效电解，从而使水基纳米粒子在混合银浆体系中充分分散，解决了水基离子型分散剂难以在有机溶剂中电解而引起的纳米银粒子聚集沉降、分散性差、与微米银粒与亚微米银混合不均匀的现象；制备的含有水基纳米银的混合型导电银浆，因为柠檬酸钠低的分解温度与亚微米银粉与微米银粉的表面改性方法配合，从而实现混合银浆200℃的低温烧结，与仅含有纳米银粉的纳米银浆相比获得了更加致密的结构，且减少了内应力的产生，从而获得了较佳的力学性能与电学性能。为了达到专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：一种芯片封装用低温烧结混合型导电银浆，包括导电银粉和有机载体；所述的导电银粉占50‐95wt％，所述的有机载体占5‐50wt％；所述的导电银粉含有20‐60wt％微米级片状银粉、5‐40wt％亚微米级球形银粉和20‐60wt％纳米级球形银粉；所述的有机载体含有3‐30wt％的粘结剂、40‐97.9wt％的溶剂和0.01‐30wt％的其它添加剂；所述的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉通过如下方式进行表面改性：配置多元有机酸乙醇溶液，所述多元有机酸的分解温度在200℃以下；将所述的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉置于所述多元有机酸乙醇溶液中；使用超声波清洗；将洗好的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉使用离心机离心分离后，使用丙酮或去离子水反复清洗；所述的有机载体是将粘结剂、溶剂与其他添加剂混合加热至50‐75℃保温后冷却至室温得到；所述的粘结剂为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚乙烯酸和聚丙烯酸中的一种或多种；所述的其它添加剂为润湿剂、活性剂、乳化剂、流平剂、成膜剂、触变剂、抗氧化剂和消泡剂中的一种或多种。为进一步实现本专利技术目的，优选地，所述的纳米级球形银粉采用如下方法制备：将柠檬酸钠溶液与硫酸亚铁溶液的混合液逐滴滴加入的硝酸银溶液中，室温下反应，控制柠檬酸钠溶液、硫酸亚铁溶液与硝酸银溶液的体积比范围为1:1:1‐8:5:5；反应结束后使用离心机离心分离后，使用去离子水反复清洗。所述的纳米级球形银粉表面存在分散剂为分解温度在200℃以下离子型的分散剂，分散剂为柠檬酸钠，纳米银的合成方法采用改进的Carey‐Lea方法。优选地，所述柠檬酸钠溶液的浓度为400‐450g/L；所述硫酸亚铁溶液的浓度为250‐300g/L；所述硝酸银溶液的浓度为70‐90g/L，所述室温下反应的时间为30‐40min；所述使用去离子水反复清洗的次数至少3次。优选地，所述微米级片状银粉的粒径为1‐20μm，厚度为0.1‐2μm；所述亚微米级球形银粉的粒径为100‐800nm；所述纳米级球形银粉的粒径为5‐80nm。进一步优选微米级片状银粉的平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种芯片封装用低温烧结混合型导电银浆，其特征在于，包括导电银粉和有机载体；所述的导电银粉占50‐95wt％，所述的有机载体占5‐50wt％；所述的导电银粉含有20‐60wt％微米级片状银粉、5‐40wt％亚微米级球形银粉和20‐60wt％纳米级球形银粉；所述的有机载体含有3‐30wt％的粘结剂、40‐97.9wt％的溶剂和0.01‐30wt％的其它添加剂；所述的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉通过如下方式进行表面改性：配置多元有机酸乙醇溶液，所述多元有机酸的分解温度在200℃以下；将所述的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉置于所述多元有机酸乙醇溶液中；使用超声波清洗；将洗好的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉使用离心机离心分离后，使用丙酮或去离子水反复清洗；所述的有机载体是将粘结剂、溶剂与其他添加剂混合加热至50‐75℃保温后冷却至室温得到；所述的粘结剂为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚乙烯酸和聚丙烯酸中的一种或多种；所述的其它添加剂为润湿剂、活性剂、乳化剂、流平剂、成膜剂、触变剂、抗氧化剂和消泡剂中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种芯片封装用低温烧结混合型导电银浆，其特征在于，包括导电银粉和有机载体；所述的导电银粉占50‐95wt％，所述的有机载体占5‐50wt％；所述的导电银粉含有20‐60wt％微米级片状银粉、5‐40wt％亚微米级球形银粉和20‐60wt％纳米级球形银粉；所述的有机载体含有3‐30wt％的粘结剂、40‐97.9wt％的溶剂和0.01‐30wt％的其它添加剂；所述的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉通过如下方式进行表面改性：配置多元有机酸乙醇溶液，所述多元有机酸的分解温度在200℃以下；将所述的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉置于所述多元有机酸乙醇溶液中；使用超声波清洗；将洗好的微米级片状银粉和亚微米级球形银粉使用离心机离心分离后，使用丙酮或去离子水反复清洗；所述的有机载体是将粘结剂、溶剂与其他添加剂混合加热至50‐75℃保温后冷却至室温得到；所述的粘结剂为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚乙烯酸和聚丙烯酸中的一种或多种；所述的其它添加剂为润湿剂、活性剂、乳化剂、流平剂、成膜剂、触变剂、抗氧化剂和消泡剂中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的芯片封装用低温烧结混合型导电银浆，其特征在于，所述的纳米级球形银粉采用如下方法制备：将柠檬酸钠溶液与硫酸亚铁溶液的混合液逐滴滴加入的硝酸银溶液中，室温下反应，控制柠檬酸钠溶液、硫酸亚铁溶液与硝酸银溶液的体积比范围为1:1:1‐8:5:5；反应结束后使用离心机离心分离后，使用去离子水反复清洗。3.根据权利要求2所述的芯片封装用低温烧结混合型导电银浆，其特征在于，所述柠檬酸钠溶液的浓度为400‐450g/L；所述硫酸亚铁溶液的浓度为250‐300g/L；所述硝酸银溶液的浓度为70‐90g/L，所述室温下反应的时间为30‐40min；所述使用去离子水反复清洗的次数至少3次。4.根据权利要求1所述的芯片封装用低温烧结混合型导电银浆，其特征在于，所述微米级片状银粉的粒径为1‐20μm，厚度为0.1‐2μm；所述亚微米级球形银粉的粒径为100‐800nm；所述纳米级球形银粉的粒径为5‐80nm。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新平，金虹，周敏波，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44