徐 達(dá)，常青松，楊彥峰

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高熱導(dǎo)率納米銀膠的可靠性研究

徐 達(dá)，常青松，楊彥峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

對(duì)無(wú)壓力低溫固化納米銀膠的連接強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性及其可靠性進(jìn)行了研究，并與Au80Sn20焊料及普通導(dǎo)電膠進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：納米銀膠連接強(qiáng)度高，平均剪切強(qiáng)度可達(dá)28 MPa；導(dǎo)熱性能優(yōu)異，連接層熱阻接近Au80Sn20焊料層熱阻；在嚴(yán)酷的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)后，其連接強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性保持穩(wěn)定，沒(méi)有退化現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，無(wú)壓力低溫固化的納米銀膠作為高功率器件連接材料具備較高的可靠性。

導(dǎo)電膠；納米銀膠；剪切強(qiáng)度；熱導(dǎo)率；可靠性；大功率

隨著通訊、LED和電力電子等行業(yè)的快速發(fā)展，電子器件功耗越來(lái)越大，導(dǎo)致芯片工作結(jié)溫不斷提高，嚴(yán)重影響電子器件性能和服役壽命[1]。作為一級(jí)封裝，芯片連接層是熱量由芯片傳輸?shù)交宓谋亟?jīng)路徑，因此連接層材料是影響大功率芯片散熱能力及可靠性的主要因素[2]。當(dāng)前，大功率場(chǎng)合應(yīng)用的一級(jí)封裝連接材料主要是錫基焊料、高鉛焊料和金錫焊料。錫基焊料由于接頭中含錫量高，金屬間化合物在高溫下會(huì)持續(xù)生成或演化，因此不適于高溫環(huán)境工作，連接界面一般長(zhǎng)期工作溫度不超過(guò)150℃[3]。高鉛焊料較為穩(wěn)定，但限于環(huán)保問(wèn)題，使用受到限制。金錫焊料從性能和可靠性來(lái)講是較理想的連接材料，但缺點(diǎn)是成本高。納米銀膠的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新的技術(shù)途徑，其顯著特點(diǎn)是熱導(dǎo)率高（顯著高于所有焊料），較低溫度固化，能在高溫環(huán)境工作，裝配工藝簡(jiǎn)化[4]。對(duì)于納米銀膠的配制、微觀表征已有學(xué)者進(jìn)行了大量研究[5-8]，但對(duì)于其可靠性方面研究不多，特別是針對(duì)無(wú)壓力低溫固化納米銀膠的性能以及與常用Au80Sn20焊料和普通導(dǎo)電膠的比較研究還未見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)新型無(wú)壓力低溫固化納米銀膠的粘接強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的可靠性進(jìn)行了深入研究，并與常規(guī)Au80Sn20焊料及普通導(dǎo)電膠進(jìn)行了對(duì)比分析，為納米銀膠的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用的AlN薄膜電阻元件（2mm×2 mm×0.381 mm）和GaN功率放大器芯片（5 mm×0.8 mm×0.1 mm）作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。前者用于剪切強(qiáng)度和連接材料導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)，后者則用于連接界面導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能在環(huán)境試驗(yàn)前后變化評(píng)估。本實(shí)驗(yàn)采用的高導(dǎo)熱納米銀膠含銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91%，內(nèi)部同時(shí)含有納米級(jí)和微米級(jí)銀顆粒。高溫固化后，在連接界面可形成連續(xù)近似塊體的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為與其他連接材料對(duì)比，同時(shí)采用Au80Sn20焊料和普通導(dǎo)電銀膠進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。三種連接材料的主要性能如表1所示。

表1 連接材料性能參數(shù)

Tab.1 Performance parameters of jointing material

1.2 樣品制備

為驗(yàn)證納米銀膠在高可靠等級(jí)應(yīng)用的可行性，樣品均封裝于金屬盒體中，如圖1所示。對(duì)于AlN薄膜電阻元件，首先用連接材料裝配鉬銅載體，然后與鉬銅載體一起用Sn96.5Ag3.5焊料焊接于金屬盒體中。對(duì)于GaN功率放大器芯片則用連接材料直接裝配于以鉬銅為底部材料的金屬盒體中。

(a)樣品1

(b)樣品2

圖1 不同樣品的結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagrams of the different samples

1.3 試驗(yàn)

為研究高導(dǎo)熱納米銀膠粘接界面的長(zhǎng)期可靠性，進(jìn)行了下列試驗(yàn)，并與Au80Sn20和普通導(dǎo)電膠材料試驗(yàn)組進(jìn)行比較分析。

1）穩(wěn)定性烘焙：125℃，168 h。

2）溫度循環(huán)：–65~+150℃，100次，保持30 min，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1 min。

3）恒定加速度，方向（高度方向），5 000 g，1 min。

采用Dage4000芯片剪切力機(jī)進(jìn)行連接剪切強(qiáng)度測(cè)試，采用QFI熱紅外成像儀測(cè)量器件表面溫度以比較連接材料導(dǎo)熱性能及變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 剪切強(qiáng)度

AlN薄膜電阻分別采用普通導(dǎo)電膠、Au80Sn20和納米銀膠作為連接材料組裝于鉬銅金屬載體，以剪切強(qiáng)度作為連接強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)?？煽啃栽囼?yàn)前后剪切強(qiáng)度的對(duì)比如圖2所示。本文采用的普通導(dǎo)電膠屬連接強(qiáng)度較高的類型，納米導(dǎo)電銀膠的初始剪切強(qiáng)度與之相當(dāng)。在較為嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)后，普通導(dǎo)電膠和Au80Sn20焊料樣品剪切強(qiáng)度均略有下降，這可能是連接界面（元件與連接材料界面或者連接材料與鉬銅載體界面）產(chǎn)生了微小的裂紋或分層所致；而納米銀膠的剪切強(qiáng)度則幾乎沒(méi)有改變。普通導(dǎo)電膠與貴金屬鍍層的界面連接機(jī)理復(fù)雜，汲及分子力、靜電力等多種復(fù)雜作用力，但沒(méi)有新的界面化合物生成，因此界面強(qiáng)度一般低于Au80Sn20焊料連接界面，因?yàn)楹笳叻磻?yīng)生成了金屬間化合物，大幅度提供了連接強(qiáng)度，但金屬間化合物會(huì)在高溫環(huán)境下繼續(xù)生長(zhǎng)變厚反而使連接強(qiáng)度弱化。而納米銀膠中由于存在大量納米級(jí)的銀顆粒，比表面積的增加使得其可以在較低溫度下實(shí)現(xiàn)銀粒子之間的燒結(jié)，從而形成塊體導(dǎo)電導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于待連接的銀、金鍍層的界面，由于具有相同或相近的化學(xué)性質(zhì)和晶格參數(shù)，可以在原子之間建立強(qiáng)化學(xué)鍵，形成牢固連接。表現(xiàn)在一經(jīng)固化，可在高于固化溫度以上或較強(qiáng)熱應(yīng)力作用下仍能保持連接強(qiáng)度穩(wěn)定。

圖2 可靠性試驗(yàn)前后剪切強(qiáng)度對(duì)比

2.2 導(dǎo)熱性能

圖3為普通導(dǎo)電膠、Au80Sn20和納米銀膠導(dǎo)熱能力比較。普通導(dǎo)電膠熱導(dǎo)率很低，芯片結(jié)溫明顯高于后兩者，相差達(dá)到40 ℃左右。采用Au80Sn20和納米銀膠連接的芯片結(jié)溫接近，相差不超過(guò)2 ℃，并在可靠性試驗(yàn)前后均保持穩(wěn)定。在本文中可靠性驗(yàn)證條件下，納米銀膠導(dǎo)熱能力與Au80Sn20焊料接近。對(duì)于更多次數(shù)的溫度循環(huán)試驗(yàn)，美國(guó)CREE公司的研究報(bào)告指出，在1 000次–55~+125 ℃溫度循環(huán)試驗(yàn)后，Au80Sn20焊料連接界面出現(xiàn)明顯分層，而納米銀膠的界面則沒(méi)有發(fā)生退化。

圖3 芯片最高溫度在可靠性試驗(yàn)前后對(duì)比

2.3 納米銀膠連接層的電性能穩(wěn)定性

圖4是采用納米銀膠裝配的射頻功率放大器在可靠性試驗(yàn)前后的性能對(duì)比，其輸出功率和附加效率前后基本保持穩(wěn)定。由于射頻輸出功率和附加效率與界面接觸電阻和接觸熱阻有明顯關(guān)系，輸出功率和附加效率的穩(wěn)定意味著納米銀膠連接層及其界面導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的穩(wěn)定。因此，進(jìn)一步驗(yàn)證了納米銀膠連接界面的良好的可靠性。

圖4 射頻功率放大器性能在可靠性試驗(yàn)前后對(duì)比

3 結(jié)論

本文對(duì)無(wú)壓力低溫固化納米銀膠的連接強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性及其可靠性進(jìn)行了研究，并與Au80Sn20焊料及普通導(dǎo)電膠進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，納米銀膠膠粘元件的平均剪切強(qiáng)度可達(dá)28 MPa；粘接層的導(dǎo)熱效果接近于Au80Sn20焊料；在125 ℃下烘烤168 h，100次溫度循環(huán)(–65~+150 ℃)及z向恒定加速度試驗(yàn)后，各項(xiàng)性能保持穩(wěn)定，沒(méi)有分層、接觸電阻等粘接退化現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，無(wú)壓力低溫?zé)Y(jié)納米銀膠作為高功率器件的粘接材料具備較高的可靠性。

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（編輯：陳渝生）

Reliability of nano-silver adhesive with high thermal conductivity

XU Da, CHANG Qingsong, YANG Yanfeng

(The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)

The joining strength, thermal conduction, electric conductivity and long-term reliability of nano-silver adhesive cured under low temperature without pressure were studied, and then compared with Au80Sn20 binder and normal silver adhesive. The results indicate that the nano-silver adhesive has high joining strength, with an average shear strength of about 28 MPa, excellent thermal conduction, and its thermal resistance is close to that of Au80Sn20. The high thermal conduction and joining strength are not degenerated even after serious thermal and mechanical stress experiments. Therefore, the nano-silver adhesive cured under low temperature without pressure has high reliability as joining layer of high power device.

adhesive; nano-silver adhesive; shear strength; thermal conductivity; reliability; high power

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.017

TM241

A

1001-2028（2017）02-0082-03

2016-12-09

徐達(dá)

徐達(dá)（1982－），男，黑龍江海倫人，工程師，主要從事微組裝工藝與可靠性研究，E-mail: 13582125021@163.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-02-14 15:13:56

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.017.html