一种低温烧结纳米银胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于高功率芯片封装的低温烧结纳米银胶的化学配方和制备方法。该低温烧结纳米银胶采用纳米银粉(10～95wt％)，微米银粉(0～75wt％)，环氧树脂(0.1～8wt％)，有机溶剂(0.1～15wt％)和添加剂(0.1～5wt％)等组分，其中纳米银粉的粒径介于10nm至500nm，比表面积介于0.1m2/g至2m2/g，微米银粉的粒径介于1μm至50μm，振实密度大于5g/cm3，比表面积介于0.1m2/g至1m2/g。上述配方按照一定比例混合后，经过双桨搅拌、三辊轴分散等工艺，形成分散均匀的纳米银胶。本发明专利技术可通过100℃至300℃低温烧结，用于高功率芯片封装。用于高功率芯片封装。用于高功率芯片封装。

【技术实现步骤摘要】
一种低温烧结纳米银胶的制备方法


[0001]本专利技术涉及微电子封装材料领域，特别是涉及一种用于高功率芯片封装的低温烧结纳米银胶的化学配方以及制备方法。

技术介绍

[0002]电子封装材料主要是用于承载电子元器件及互联，起机械支撑、密封环境保护和散热等作用。常用的封装材料包括焊锡膏、密封胶、导电胶和导热胶等。
[0003]导电胶，是一种既能有效地胶接各种材料，又具有导电性能的胶粘剂。填充型导电胶主要以金属粉末为填充料，树脂胶粘剂作为基体，通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起，形成导电通路，实现被粘材料的导电连接。常用的金属粉体包括银、金、铜和镍等，而树脂基体则常用热固性胶黏剂如环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂等胶黏剂体系。由于环氧树脂可以在室温或低于150℃固化，并且具有丰富的配方可设计性能，环氧树脂基导电胶占主导地位。
[0004]导电胶的导电原理包括以下两种方式：(1)导电颗粒相互连接形成导电通路：导电胶溶剂挥发及树脂固化过程引起体积收缩，使得导电颗粒(如银粉)之间相互接触，并在导电胶完成固化后形成稳定和连续的电接触，所以具有导电性；(2)隧道效应：根据量子力学原理，当两个导电颗粒距离小到一定值时，电子可以突破隔离层势垒，从一个导电颗粒跃迁至另一个的导电颗粒，形成导电通路，这种现象称为隧道效应。
[0005]近年来，电子信息产业的快速发展，包括大数据、人工智能(AI)、5G基础设施和电动车等。上述科技是建立在速度更快，功耗更大的芯片和集成电路的基础上，同时也对封装材料的性能、可靠性提出了更高的要求。传统导电银胶导电率较低约为103～104S/cm，导热系数低于10W/m
·
K，已经无法满足新兴科技对导电胶的性能要求。因此，开发新型的高导电、高导热和高可靠性的导电胶非常有必要。

技术实现思路

[0006]针对上述行业痛点，本专利技术提供了一种可用于高功率芯片封装的低温烧结纳米银胶的化学配方和制备方法。该纳米银胶的主要成分包括：10～95wt％纳米银粉、0～75wt％微米银粉、0.1～8wt％环氧树脂、0.1～15wt％溶剂和0.1～5wt％添加剂等，并且烧结后银含量大于85wt％。
[0007]纳米材料具备优异的力学、电学、热学、光学等特性，可以用来解决传统材料无法克服的技术难题。由于尺寸小，纳米颗粒具有大量暴露在颗粒表面的活泼原子，这些表面原子处于不稳定化学态，极易与相邻颗粒的表面原子反应形成稳定的化学键。纳米颗粒的粒径越小，其含有的表面原子比例越大，颗粒反应活性也越大，因此纳米颗粒倾向团聚熔合以降低化学势能。为了防止纳米颗粒团聚，在合成纳米材料的时候广泛使用表面活性剂。表面剂官能团附着在纳米颗粒表面，降低了纳米粒子直接接触的概率，所以可以有效降低颗粒团聚。同时，表面剂具有与溶剂体系兼容的化学链，也可以促进纳米颗粒在溶剂体系的分
散。常用的表面剂包括有机胺类，有机酸类化合物等。
[0008]纳米银粉在烧结过程中起到至关重要的作用。本专利技术采用的纳米银粉粒径介于10nm至500nm并且比表面积介于0.1m2/g至2m2/g。纳米银粉以湿法化学合成，其表面剂为短链表面剂(碳原子数介于4至20)。在低温烧结过程中(100℃至300℃)，表面剂在温度的作用下或脱离纳米颗粒表面或分解，这使得纳米银粉的活性表面原子重新暴露。高反应活性的表面原子与相邻颗粒的表面原子反生反应并熔合，形成稳定的原子价态。如图1所示，在这种机制的作用下，纳米银胶中的纳米银颗粒相互熔合实现烧结。
[0009]传统导电银胶导电原理主要是通过颗粒接触或隧道效应实现导电和导热。然而，无论是颗粒接触还是隧道效应，电子都需要克服较大的阻力才能在颗粒之间传输，这也极大的限制了传统银胶导电率和导热率。烧结型银胶则不同，导电颗粒在烧结过程中实现熔合，电子在颗粒之间传输的阻力极小，因此烧结型的纳米银胶具备优异的导电率和导热率。烧结型纳米银胶的导电率和导热率可以达到传统银胶的100倍以上。
[0010]高填充微米银粉的使用主要是为了提升银含量和性能。微米银粉尺寸较纳米银粉大，反应活性相对低。虽然其也可以实现烧结，不过烧结温度较高，一般高于500℃。本专利技术使用微米银粉主要是利用其高填充的特性，而非烧结性能，微米银粉的烧结也是通过粉体之间的纳米银粉实现。纳米银胶中可加入适当的高密度微米银粉(粒径介于1μm至50μm，振实密度大于5g/cm3，比表面积介于0.1m2/g至1m2/g)，从而提升烧结后银含量。理论上，银含量越高，烧结银胶的性能越接近纯银性能。微米银粉和纳米银粉的添加比例基于0(全纳米银粉配方)至4:1之间。
[0011]有机高分子树脂是导电胶的重要组成部分，可提供粘结、互联等功能。环氧树脂具备丰富的配方选择，其工作温度范围也与纳米银胶烧结温度匹配，因而被用来制备纳米银胶。由于环氧基的化学活性，可用多种含有活泼氢的化合物使其开环，固化交联生成网状结构，增加纳米银胶的机械强度。
[0012]溶剂主要用来分散填充料和粘结相，赋予浆料流动性和印刷性，常用的溶剂有醇类，酯类和醚类等溶剂。添加剂是电子浆料的“维生素”，常用分散剂、交联剂、增稠剂和去泡剂等。
[0013]上述纳米银胶配方混合后，需要使其各组分均匀分散以达到最优性能。常用的工艺包括双桨搅拌和三辊轴研磨。其中，纳米银胶由于采用颗粒更细的纳米银粉对三辊轴工艺的要求较传统导电银胶高。
附图说明
[0014]图1：纳米银胶烧结原理
[0015]图2：纳米银粉透射电子显微镜(TEM)图
[0016]图3：纳米银粉粒径分布图
[0017]图4：纳米银胶和硅片封装
[0018]图5：封装横截面扫描电子显微镜(SEM)图
具体实施方式
[0019]为了更清楚的阐述本专利技术，下面结合附图和具体实施例子来对本专利技术做进一步说
明，不得将这些实施例用于解释对本专利技术保护范围的限制。
[0020]实施例1
[0021]本专利技术涉及一种用于高功率芯片封装的低温烧结纳米银胶的制备方法：
[0022]如图2透射电子显微镜图(TEM)所示，纳米银粉形貌呈近球状。通过动态光散射(DLS)分析纳米银粉的粒径分布(图3)，纳米银粉直径介于50nm至400nm，呈现近正态分布，平均直径约148nm。
[0023]称取上述纳米银粉90g，双酚A型环氧树脂3g，丁基卡必醇乙酸酯6g和1g功能性助剂共计100g加入浆料罐中，用不锈钢抹刀搅拌5分钟，使纳米银粉被充分浸润，并以双桨搅拌机搅拌1小时至均匀，然后采用三辊轴研磨机将纳米银胶复合浆料研磨五次，得到的纳米银胶使用刮板细度计测得细度小于5μm，所得纳米银胶装入胶筒中。
[0024]图4展示了纳米银胶和封装测试。测试使用表面镀银硅片，以10mm x 10mm尺寸镀银硅片作为基底，5mm x 5mm尺寸镀银硅片模拟封装芯片。如图4所示，将20mg纳米银胶点胶至基底中心位置，然后将封装芯片盖在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高功率芯片封装的低温烧结纳米银胶的化学配方和制备方法，该低温烧结纳米银胶由以下部分组成：纳米银粉(10～95wt％)，微米银粉(0～75wt％)，环氧树脂(0.1～8wt％)，有机溶剂(0.1～15wt％)和添加剂(0.1～5wt％)，其中纳米银粉粒径介于10nm至500nm，比表面积介于0.1m2/g至2m2/g，微米银粉的粒径介于1μm至50μm，振实密度大于5g/cm3，比表面积介于0.1m2/g至1m2/g。2.根据权利要求1所述，纳米银粉颗粒形貌为球形、片状或其它形状的一种或多种。3.根据权利要求1所述，纳米银粉的表面活性剂为短链表面剂，碳原子数介于4至20之间。4.根据权利要求1
‑
3所述，表面活性剂选自有机胺类、有机酸类化合物的一种或多种。5.根据权利要求1所述，微米...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正刚，来琳斐，
申请(专利权)人：南京纳纬新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：