夏維娟 馮曉晶 胡 媛 周 澄 龍 旭

（1 空間電子信息技術研究院，西安 710100）

（2 西北工業(yè)大學力學與土木建筑學院，西安 710072）

文 摘 為了探索納米銀漿在大功率器件組裝中的應用可靠性，亟待獲得納米銀漿的燒結特性和熱力學性能。本文對不同燒結溫度、燒結時間、升溫速率、燒結方式的納米銀漿樣件燒結強度，結合燒結形貌進行了系統(tǒng)研究，并與航天電子產品中常規(guī)的互連材料Au80Sn20焊料、Sn90.5Ag3Cu0.5焊料以及H20E 導電膠的散熱性進行了對比分析。研究結果表明：采用可控升溫速率空氣氛圍的燒結方式，在200 ℃下保溫90 min，銀漿樣件的剪切強度最高可達40 MPa。納米銀漿導熱性能與Au80Sn20 相當，明顯高于H20E 和SAC305。在經(jīng)歷嚴酷的熱應力和機械應力試驗后，其剪切強度保持穩(wěn)定，因此納米銀漿作為高導熱連接材料在宇航大功率器件組裝中具有良好的應用前景。

0 引言

隨著電子產品向高功率、高密度和高集成度的發(fā)展，功率器件的散熱和多溫度梯度微組裝問題日益突出［1-4］。而航天器中的關鍵部件，如發(fā)射機、固放、相控陣TR 組件發(fā)射通道等微波有源產品中用到大量功率器件，隨著衛(wèi)星載荷功能復雜度提升的要求，三代半導體技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的釬料和導電膠已經(jīng)很難滿足產品小型化多面集成的裝聯(lián)和散熱要求，連接材料的選擇已成為瓶頸技術之一［5］。

傳統(tǒng)的軟釬料是功率器件散熱的主要連接材料［6］，但是在多溫度梯度組裝中，為避免釬料重熔，要求每級組裝中使用的釬料熔點不同，這導致釬料在多溫度梯度中應用受到很大限制，同時難以實現(xiàn)多芯片燒結工藝。導電膠黏劑具有固化溫度低、粘接工藝簡單的特點［7］，但是其導熱性較差，無法滿足大功率器件的散熱要求，也存在使用過程中由于導電膠熱疲勞效應引起粘接強度逐漸減弱的問題［8］。而納米銀漿因其納米尺寸效應，具有燒結溫度低、熱導率高、高溫環(huán)境應用等優(yōu)點［9］，作為互連材料在大功率器件組裝應用中具有良好的應用前景。當前人們對納米銀漿的研究，大多數(shù)集中在材料制備、性能表征分析方面［10-12］，對于納米銀漿無壓力燒結工藝及在宇航大功率器件應用方面的研究相對較少［13-15］。

本文主要進行了低溫無壓力納米銀漿燒結工藝的研究，對不同燒結溫度、燒結時間、升溫速率、燒結方式的納米銀漿樣件燒結強度對比，結合燒結形貌，明確最優(yōu)的燒結工藝參數(shù)。并與航天電子產品中常規(guī)的互連材料Au80Sn20 焊料、Sn90.5Ag3Cu0.5（SAC305）焊料以及H20E 導電膠的散熱性進行了對比。初步探索了納米銀漿在大功率芯片中的應用，獲得了納米銀漿的燒結特性和熱力學性能，以及評估了其宇航應用可靠性，為后續(xù)納米銀漿在航天功率產品的應用奠定一定的基礎。

1 實驗

1.1 材料

經(jīng)廣泛調研，本文選用了日本京瓷公司的一款商業(yè)化納米銀漿產品，主要成分為納米級銀顆粒、微米級銀顆粒與樹脂材料混合物，納米銀為片狀粉（Ag91wt%），其可采用低溫無壓力方式進行燒結，并結合剪切強度、空洞率以及燒結最高溫度等材料本體性能指標，該款納米銀漿較能符合功率芯片組裝的工況。

選用鎢銅（WuCu15）鍍金載體（尺寸為20 mm ×20 mm × 1.5 mm）和可伐（4J42）鍍金熱沉（尺寸為4 mm × 4 mm × 0.25 mm）進行納米銀漿燒結工藝研究；選用可伐、硅鋁鍍金殼體和鍍金熱沉進行納米銀漿燒結可靠性研究，選用鍍金鎢銅底座金屬管殼、鎢銅熱沉、砷化鎵芯片（尺寸為3.5 mm × 4 mm × 0.08 mm）組裝成功率模塊進行不同連接材料散熱性研究。

1.2 樣品制備

為了進行燒結工藝研究，將同規(guī)格可伐熱沉采用納米銀漿通過不同燒結工藝參數(shù)連接在鎢銅載體上，樣品制作如圖1（a）所示。為了驗證納米銀漿在宇航應用環(huán)境中的可靠性，將可伐熱沉采用納米銀漿分別燒結在可伐和硅鋁殼體中。為了進行連接材料散熱性對比，首先采用Au80Sn20 焊料將砷化鎵芯片焊接在鎢銅熱沉上，熱沉通過不同的連接材料（H20E、SAC305、Au80Sn20、納米銀漿）組裝在管殼上，繼而再進行金絲、金帶互聯(lián)，完成整個測試樣件的制備。

圖1 3種樣件結構示意圖Fig.1 Schematic diagrams of three types of samples

1.3 實驗

為了進行納米銀漿燒結工藝的研究，采用燒結爐（空氣氛圍）在升溫速率設置為5 ℃/min 燒結溫度設置為200 ℃保持90 min燒結時間的基礎條件上，改變燒結參數(shù)，在不同燒結溫度、燒結時間和升溫速率條件下進行燒結樣件制備；同時改變燒結方式，分別采用熱臺、鼓風烘箱、充氮烘箱和燒結爐進行樣件制備，前三者升溫速率不可控。采用Dage4000PLUS 進行剪切強度測試；采用FEI TM掃描電鏡觀察形貌。

為了驗證納米銀漿燒結界面的長期可靠性，進行了如表2 環(huán)境試驗，采用Dage4000PLUS 進行試驗前后剪切強度測試。

2 結果與討論

2.1 剪切強度

表3為表1不同燒結溫度、燒結時間、升溫速率及燒結方式下納米銀漿樣件平均剪切強度對比結果。可見燒結溫度、燒結時間以及不同的燒結方式對剪切強度的影響較大。隨著燒結溫度增加，剪切強度呈上升趨勢。隨著燒結時間增加，剪切強度先上升而后略有下降。升溫速率為5 ℃/min 時剪切強度最大，增大升溫速率剪切強度則會明顯下降。采用燒結爐（空氣氛圍）形成的樣件燒結強度最大，而熱臺燒結方式強度最低。

表1 燒結工藝研究的實驗條件Tab.1 Conditions of the sintering process

表2 可靠性環(huán)境實驗條件Tab.2 Conditions of the reliability experiment

表3 不同燒結條件下納米銀漿的剪切力測試結果Tab.3 Shear strength of silver nanoparticles under different sintering conditions

分析認為，納米銀漿材料中含有納米銀顆粒、微米銀顆粒和防止銀漿中納米顆粒在室溫下團聚而包覆在納米顆粒表面的高分子有機層等。因納米顆粒具有非常大的比表面積以及極小的表面曲率半徑，致使其在100 ℃就可以開始融化。而高分子有機層需要一定的熱分解溫度，其分解是納米顆粒燒結發(fā)生的前提條件，到達有機層熱分解溫度后，納米顆粒之間就會形成一定的燒結頸，隨之燒結頸逐步消失納米銀漿聚合互聯(lián)逐漸形成整體，并與互聯(lián)材料之間進行原子間的相互擴散。因此，當燒結溫度過低或燒結時間過短時，納米銀漿中有機層揮發(fā)和分解不完全，燒結接頭內部仍會存在較多的有機包覆層殘留物，導致燒結不充分，形成的接頭剪切強度較低。而過高的升溫速率易導致納米銀漿燒結過程中有機成分不能及時揮發(fā)從而形成的孔隙增大，進而導致剪切強度降低。

不同的燒結方式下，熱臺從底面加熱，且加熱速率較快，燒結樣件的銀漿層上下面受熱不均勻，致使有機成分不易揮發(fā)。而充氮烘箱升溫不均勻，造成有機成分揮發(fā)不理想，易導致成局部燒結不完全。而燒結過程中的氧氣氛圍將有利于納米銀漿中有機成分氧化分解，在氮氣氛圍中需要更高的溫度確保納米銀漿中的有機成分揮發(fā)。剪切形貌也進一步證實了燒結氛圍對燒結結果的影響。

2.2 剪切形貌和SEM觀察

圖2 為納米銀漿燒結樣件45 倍下的剪切形貌?？梢钥闯?，燒結爐中燒結溫度≥150℃/90 min 燒結后，失效模式為銀漿層內部斷裂，斷裂層表面比較光滑，存在有機物揮發(fā)后殘留的點狀孔隙。說明納米銀漿與基板鍍層發(fā)生了相互擴散，接合良好。而其他燒結條件下的失效模式均是載體與納米銀漿結合面斷裂，表明銀漿與載體鍍層未達到有效擴散，連接效果較差。結合圖3 不同燒結溫度下樣件的SEM 剪切形貌也可以看出，100 ℃燒結形成的結構疏松、孔隙率多，納米銀漿未形成有效連接結構，而200 ℃燒結的結構較為致密、孔隙較少。

圖2 不同燒結條件樣件的剪切形貌Fig.2 Morphology of sheared samples under different sintering conditions

圖3 不同溫度燒結樣件的剪切形貌Fig.3 Morphology of sheared samples at different sintering temperatures

從圖4可見，未燒結納米銀漿呈現(xiàn)出納米片狀結構，含聚集的微米級塊狀凝聚體。對比不同燒結樣件，100 ℃下納米銀漿多數(shù)呈片狀結構，孔隙較多，與未燒結［圖4（a）］形貌類似，說明該溫度下未形成有效燒結互連狀。圖4（c）200 ℃燒結10 min 形貌顯示相對未燒結情況，納米銀漿已形成一定的互聯(lián)網(wǎng)絡結構，但與90 min燒結時間相比，連接孔隙更多、組織致密化較低，但已形成有效的三維網(wǎng)絡互連結構。圖4（c）（d）清晰體現(xiàn)了200 ℃燒結時納米銀漿顆粒燒結長大的情況，相鄰顆粒之間逐漸形成緊密連接，最后形成一定的燒結形貌，因有機包覆層的熱分解會會產生一定的燒結孔隙。同時不同燒結樣件SEM 能譜分析表明，未燒結和燒結溫度不夠時，納米銀漿內部含有較多的C、O 元素，有機殘留物較多，而燒結完全時有機物分解較為完全，測試元素成分幾乎均為Ag。

圖4 不同燒結條件下樣件的SEM圖Fig.4 SEM images of samples under different sintering conditions

綜上可知，從燒結后的形貌可以看出，納米銀漿燒結溫度不夠或燒結時間過短，均不能形成有效的互連結構形貌，納米銀漿燒結不完全且孔隙較多，這些將導致燒結樣件剪切強度明顯降低，與2.1節(jié)所得剪切力測試結果吻合。

2.3 結溫測試

對納米銀漿、常規(guī)H20E 導電膠、SAC305 及Au80Sn20焊料四種貼裝材料制備的散熱測試樣件進行結溫測試。圖5 分別是不同加載功率下樣件的芯片結溫溫度結果與樣件熱阻計算結果?？梢钥闯?，隨著加載功率的增加，功率芯片結溫都呈升高的趨勢。其中，H20E 樣件芯片結溫最高，其次為SAC305、Au80Sn20 和納米銀漿。納米銀漿和Au80Sn20 比H20E 結溫低20 ℃左右，納米銀漿和Au80Sn20 兩者結溫相差2 ℃至3 ℃。熱阻測試隨著功率增加逐步趨于穩(wěn)定，H20E 粘接的樣件熱阻最大，H20E 和SAC305 的熱阻明顯高于Au80Sn20 和納米銀漿。納米銀漿熱阻測試結果略低于Au80Sn20，熱阻約為2.7 ℃/W 左右。由此可見，納米銀漿具有與Au80Sn20 焊料相同的導熱效果，可滿足大功率器件的散熱要求，具有良好的應用前景。

圖5 不同加載功率下樣件結溫測試結果及熱阻計算結果Fig.5 Results of junction temperature and thermal resistance of bonding materials under different powers

2.4 可靠性驗證

表4 為可伐殼體和硅鋁殼體納米銀漿燒結樣件可靠性試驗前后剪切強度對比情況?？梢钥闯?，納米銀漿樣件燒結接頭在經(jīng)過125 ℃下168 小時穩(wěn)定性烘焙后，剪切強度均略有所上升，分析可能為經(jīng)過后續(xù)長時間的高溫烘烤少量的有機殘留成分更加有效地揮發(fā)分解，致使強度增加。而樣件經(jīng)歷宇航可靠性試驗后，剪切強度變化不明顯，原因在于納米銀漿材料熔融后通過與互連材料之間原子的相互擴散，對于待連接的銀、金鍍層的界面，由于具有相同或相近的化學性質和晶格參數(shù)，可以在原子之間建立強化學鍵，形成牢固連接，且燒結后銀含量達99%以上，表面在燒結完成后，在高溫及較強的熱應力作用下仍能保持較好燒結強度穩(wěn)定性。

表4 可伐和硅鋁殼體樣件可靠性試驗前后剪切強度對比Tab.4 Comparison of shear strengths before and after reliability tests of the samples sintered on shell

3 結論

（1）燒結溫度、燒結時間和燒結方式對納米銀漿燒結后的剪切強度影響都很大，升溫速率影響相對較小。其中，當采用燒結爐保持空氣氛圍、燒結溫度200 ℃、燒結時間90 min、可控升溫速率為5 ℃/min時，所獲得的納米銀漿燒結件剪切強度較大。

（2）當燒結溫度和燒結時間不充分時，納米銀漿均不能形成有效的互連結構，孔隙較多，尤其是燒結溫度不夠，納米銀漿中有機包覆層分解不完全，銀漿不能有效熔融互連。燒結SEM結果表明，互連結構仍存在一定因有機成分揮發(fā)等多種因素造成的孔隙。

（3）散熱性測試結果表明，納米銀漿具有與Au80Sn20 相當?shù)膶崮芰?，其熱阻明顯低于H20E和SAC305，在功率器件組裝中具有良好的應用前景。

（4）在經(jīng)歷宇航溫度125 ℃烘烤168 h、110 次溫度循環(huán)（-55～125 ℃，溫度轉換1 min）及4.9×104m/s2加速度后，納米銀漿樣件的剪切強度保持不變，具有較高的穩(wěn)定性，未出現(xiàn)燒結性能退化的現(xiàn)象，具有較好的宇航應用可靠性。