纳米银膏与微米银膏烧结连接对比

朱 颖 唐善平

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

闫剑锋 邹贵生

(清华大学机械工程系，北京100084)

锡铅合金由于其优良的性能而广泛用于电子工业的芯片封装［1-2］.然而铅及其合金有毒，相关禁铅法令也陆续颁布.目前，国内外中低温无铅电子封装连接材料主要是以Sn为基体的无铅钎料.现有的高温无铅钎料由于性能及可靠性均不及高铅钎料，且无法直接利用现有的回流焊工艺实现封装，故高温服役条件下的电子器件的互连材料及工艺需进一步研究［3-6］.同时随着大功率器件如大功率 LED器件、混合动力汽车等迅速发展［7］，迫切需要一种能够低温封装、高温服役并能保持高可靠性的无铅电子封装材料.

近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［8］.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.

目前，国际上已有将纳米银膏用于电子封装的研究，如Minoru Maruyama等利用纳米银实现了硅二极管芯片与铜基板的连接，其测试表明可靠性高于传统Pb-5Sn封装的芯片［9］.国内，邹贵生、齐昆等分别对纳米银膏烧结性能及其烧结粘接的可靠性进行了研究［10-11］.微米银膏作为电子封装材料已得到应用，与纳米银膏烧结连接相比，微米银膏银颗粒的尺寸较大，其烧结温度较高或烧结压力较大［12］，烧结连接特性也有一定差异，故二者在相同条件下的烧结连接强度及其连接机理尚需进一步研究.本文用自行制备的纳米银膏与微米银膏实现了镀银铜块的烧结连接，并对纳米银膏与微米银膏在相同连接条件下的接头剪切强度、断口形貌及显微组织进行了对比研究.

1 实验材料与方法

以乙二醇为还原剂，聚乙烯吡咯烷酮为保护剂，通过加热还原AgNO3制得纳米银，银膏的具体制备方法见文献［13］，然后利用其进行烧结连接.为降低实验成本，连接试样分别用直径为6 mm和10 mm的镀银铜圆柱代替封装芯片及基板，铜块高度均为5 mm，连接表面镀银，如图1所示.接头的剪切强度用热/力物理模拟试验机Gleeble 1500D来测定，剪切示意图如图2所示.纳米银膏中的Ag为直径20～80 nm的球形颗粒，如图3a所示.微米银膏是用商业银粉按纳米膏相同有机成份配制而成.微米银膏由1～3 μm的不规则多面体(图3b)Ag颗粒构成.在连接实验中，先在两个被连接镀银铜圆柱的待连接面均匀涂覆银膏，然后将小镀银铜圆柱对接于大铜圆柱上面，于250℃直接烧结连接.具体烧结工艺参数如下:烧结温度为250℃，烧结压力为2～5MPa，烧结气氛为大气，保温时间为5 min.

图1 试样尺寸

图2 剪切示意图

图3 银膏的微观形貌的扫描电镜图

2 结果与讨论

2.1 纳米银膏与微米银膏的烧结接头剪切强度

为对比分析纳米银膏与微米银膏烧结连接强度的差异，将微米银膏与纳米银膏在相同条件下烧结连接镀银铜块.图4为上述接头的剪切强度，图中误差棒为同一压力下3个试样中最大剪切强度与最小剪切强度.实验表明微米银膏在5 MPa条件下烧结接头的剪切强度仅有4 MPa，而相同条件下，纳米银膏烧结接头的剪切强度可达到38 MPa，为前者的9倍多.可见，与微米银膏烧结连接镀银铜块相比，纳米银膏在低烧结压力条件下其剪切强度有明显优势.

图4 微米银膏与纳米银膏的接头剪切强度

2.2 纳米银膏与微米银膏烧结接头的断口及分析

图5为纳米银膏、微米银膏在250℃，5 MPa，5 min烧结剪切后的断口形貌.纳米银烧结接头从烧结层发生断裂，如图5a所示.进一步研究发现，纳米银烧结层呈多微孔状结构(图5b)，该微孔结构有利于被连接电子器件在温度变化过程中应力的释放，可延长器件的使用寿命［14］.而微米银膏烧结连接断口与纳米银膏烧结连接断口明显不同，其主要从烧结层与镀银层界面间断开(图5c).进一步分析发现，由于微米银颗粒尺寸较大，银颗粒间未实现大面积融合，仅有小部分小颗粒尺寸的银出现了烧结颈缩，且烧结后颗粒间的孔隙粗大(图5d)，其剪切强度较低.

图5 纳米银膏、微米银膏的接头断口

纳米银膏与微米银膏接头显微组织分析表明，在相同连接条件下，纳米银烧结层组织均匀质密，烧结接头的连接界面显示镀银层与纳米银烧结层形成了较好结合，见图6a.由于纳米银膏中只有金属银及有机物，因此，烧结层中不存在钎焊接头中类似的金属间化合物，但部分烧结区域可能存在小量烧结过程中未完全挥发的有机物，它们可能会碳化后以C的形式存在(图6b).由于烧结层主要由银构成，因此相对传统封装材料，纳米银烧结接头的导电导热性能更好［7］.微米银膏由于银颗粒尺寸较大表面能低，在低温低压下烧结较困难［15］，仅局部区域实现烧结，连接界面间难以形成连续的冶金结合，易在镀银层与烧结层界面间形成微小裂纹(本质是未焊合)(图6c中区域(1))，使得界面间的连接强度较低.故其连接界面的冶金结合呈现非连续性，烧结层呈现为粗大的孔隙状，如图6c所示.与纳米银膏烧结接头成份类似，微米银膏烧结层主要以纯银为主 (图6d).

图6 纳米银膏、微米银膏的接头界面扫描电镜图及能谱分析

3 结论

1)纳米银膏在250℃烧结温度、5min保温时间及2～5 MPa的烧结压力作用下，能够实现烧结连接.在相同烧结条件下，纳米银膏烧结接头比微米银膏烧结接头具有更高的剪切强度.

2)纳米银膏和微米银膏的烧结接头显微组织显示，纳米银膏接头烧结层与镀银层结合较好，接头烧结层为多微孔组织，有利于延长电子器件的使用寿命;微米银膏接头烧结层则孔隙粗大，孔隙率高，且烧结接头界面处存在裂纹，降低了接头剪切强度.EDS分析显示，两种接头的主要成份是Ag，可提高接头的导电导热性能，有利于接头的高温服役性能.

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