【關(guān)鍵詞】納米銀基復(fù)合焊料；微觀結(jié)構(gòu)；集成電路；焊接性能

引言

近年來，可代替釬焊焊料的納米銅、納米銀、納米金等材料成為研究熱點(diǎn)，在功率半導(dǎo)體行業(yè)也開始推廣使用。當(dāng)這些貴金屬材料的顆粒度達(dá)到納米級別時，通常具備較高的表面活性或表面能，其再次燒結(jié)合金的溫度遠(yuǎn)低于塊體材料，從而使納米材料的再結(jié)晶溫度顯著降低。同時，這類貴金屬材料在燒結(jié)后的焊接材料與塊體材料具有相同的熔點(diǎn)和性能，實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)Y(jié)、高溫服役工作的功能。納米銀理論燒結(jié)溫度可低至150℃，再次熔融溫度理論上可達(dá)到960℃；燒結(jié)后理論熱導(dǎo)率可達(dá)到300 W/（m·K）以上，實(shí)際熱導(dǎo)率為200 W/（m·K）。納米銀具有上述優(yōu)點(diǎn)，可以替代釬焊焊料在功率電子器件焊接工藝中推廣應(yīng)用[1]。

一、納米銀基復(fù)合焊料與集成電路焊接相關(guān)理論基礎(chǔ)

（一）集成電路焊接原理與要求

集成電路焊接就是把電子元件同電路板連在一起的重要工藝，隨著集成電路朝著高密度、高性能的方向發(fā)展，焊接點(diǎn)的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性能就變得很重要。高功率集成電路在工作的時候會發(fā)出很多熱量，要是不能快速傳遞和散發(fā)掉，就會使焊接點(diǎn)變得很燙，從而影響焊接的效果和電子元件的工作狀態(tài)[2]。因此，焊接用的材料不但要有好的導(dǎo)電性，還得有很好的導(dǎo)熱能力，這樣才能保證焊接點(diǎn)在大電流和高溫的情況下仍然穩(wěn)定可靠。而且，焊接材料的濕潤度和分散度也會對焊接是否均勻牢固產(chǎn)生影響，這直接關(guān)乎集成電路能否長久可靠地工作。

（二）納米銀基復(fù)合焊料組成與特性

納米銀基復(fù)合焊料是一種新型焊接材料，主要由納米銀顆粒（高導(dǎo)電、低溫?zé)Y(jié)）、改性碳納米管（高導(dǎo)熱、內(nèi)部填充銀粒子增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱）、環(huán)氧樹脂/固化劑（機(jī)械強(qiáng)度）、助焊劑（潤濕、分散）、有機(jī)溶劑組成。復(fù)合結(jié)構(gòu)具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、良好的焊接性和機(jī)械強(qiáng)度[3]。

（三）復(fù)合焊料與集成電路焊接適配性理論

納米銀基復(fù)合焊料的微觀結(jié)構(gòu)對它在集成電路焊接中的適配性非常重要。納米銀適合高功率電學(xué)需求，改性碳納米管則顯著提升了導(dǎo)熱性能，有效解決了熱量堆積問題。經(jīng)過氨基化及1，4二（2′，3′環(huán)氧丙基）全氟丁烷表面處理之后，碳納米管的表面張力降低，其分散性和潤濕性均得到加強(qiáng)，可以形成均勻的焊接層。這一處理使得接頭的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性和可靠性都得到提升。

二、納米銀基復(fù)合焊料微觀結(jié)構(gòu)分析

（一）納米銀顆粒的微觀結(jié)構(gòu)特征

納米銀顆粒在復(fù)合焊料中有著獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，它的粒徑屬于納米級別，大概在60到150納米之間，這個范圍內(nèi)的尺寸比較小而且比較均勻。從形狀上看，大多呈近似球形或者類球形，這樣的形狀有利于在焊料中均勻分布，減少團(tuán)聚情況。在高倍顯微鏡下觀察時，納米銀顆粒表面看起來比較光滑，表面能較高，這就使它在焊接過程中可以在相對較低的溫度下發(fā)生燒結(jié)。在復(fù)合焊料體系當(dāng)中，納米銀顆粒彼此接近卻又保持一定距離，從而形成導(dǎo)電通路，給電流傳輸賦予一條低電阻路徑[4]。納米銀顆粒均勻分布還能為整個焊料的機(jī)械性能改進(jìn)奠定基礎(chǔ)，提升焊料和被焊接材料之間的結(jié)合強(qiáng)度，這對集成電路焊接的導(dǎo)電性能以及機(jī)械穩(wěn)定性起著關(guān)鍵的作用。

（二）改性碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)變化

原始的多壁碳納米管經(jīng)過一系列的改性之后，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。在粗化和活化階段，經(jīng)過酸堿的處理之后，碳納米管的表面被腐蝕，變得粗糙多孔，從而增大了碳納米管的表面積，為后續(xù)的反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)。經(jīng)過高低濃度銀氨溶液的處理，并經(jīng)歷還原處理之后，碳納米管的內(nèi)部和表面沉積了銀粒子，原本的空心部分被銀粒子填充。這不僅顯著提升了碳納米管本身的導(dǎo)電性，還大幅增強(qiáng)了碳納米管與納米銀的接觸及結(jié)合效果。表面氨基化處理引入了氨基基團(tuán)，改變了碳納米管表面的化學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過1，4二（2′，3′環(huán)氧丙基）全氟丁烷處理之后，引入了氟元素和環(huán)氧基，使碳納米管表面變得更加親潤，在環(huán)氧樹脂中分散性大大提高，從而使碳納米管能夠以更加均勻的狀態(tài)分布在復(fù)合焊料中，有效地改善了焊料的微觀結(jié)構(gòu)均勻性和整體性能[5]。

（三）納米銀與碳納米管之間的界面結(jié)構(gòu)

納米銀和碳納米管之間的界面結(jié)構(gòu)有著獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，這樣的界面在很多應(yīng)用中都有著明顯的優(yōu)勢。納米銀顆粒一般會均勻地分布在碳納米管表面，形成一層緊密的金屬覆蓋層，這樣不僅提升了碳納米管的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，而且改善了碳納米管在復(fù)合材料中的分散度以及界面穩(wěn)定情況。在一些研究中，納米銀和碳納米管之間通過化學(xué)鍵或者物理吸附的方式建立了穩(wěn)定的界面，這種界面可以有效地削減接觸電阻，改良材料的總體性能。在固態(tài)電池里面，納米銀界面可以推動鋰離子的流動并遏制鋰枝晶的生成，大幅減小了界面電阻。納米銀修飾的碳納米管在高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠中表現(xiàn)優(yōu)異，低溫?zé)Y(jié)鍵合形成三維導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，減少界面之間聲子散射，實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)。改性碳納米管表面銀粒子及活性基團(tuán)有利于其與納米銀有效結(jié)合。二者通過化學(xué)鍵和物理吸附的方式連接，在界面處形成緊密的結(jié)合層，從而顯著提高電子傳輸效率（提升導(dǎo)電性）、熱量傳遞（優(yōu)化導(dǎo)熱路徑）及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而有效增強(qiáng)焊接點(diǎn)的機(jī)械性能。

三、納米銀基復(fù)合焊料微觀結(jié)構(gòu)對集成電路焊接性能的影響要點(diǎn)

（一）微觀結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)導(dǎo)電性的影響

納米銀顆粒有著較高的比表面積和良好的導(dǎo)電性能，這是提高焊接點(diǎn)導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素。改良納米銀顆粒的尺寸分布情況，可以減小電流傳輸時產(chǎn)生的電阻損失，納米銀顆粒彼此之間形成密集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而保證了電子在焊接點(diǎn)內(nèi)部的高效傳導(dǎo)路徑。改性碳納米管內(nèi)部填充銀粒子之后，不但自身導(dǎo)電能力有所加強(qiáng)，而且與納米銀顆粒之間的接觸界面也得到了明顯改善，這種改進(jìn)措施有益于削減界面電阻，提升整體導(dǎo)電性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)表面處理過的碳納米管能更佳地分散到焊料當(dāng)中，進(jìn)而構(gòu)建起比較均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，防止出現(xiàn)局部電阻過高而引發(fā)的能量損耗狀況。而且，借助改變納米銀顆粒的濃度和粒徑，也可以進(jìn)一步改良焊接點(diǎn)的電學(xué)性質(zhì)，使之更為契合不同的應(yīng)用場合。

（二）微觀結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)導(dǎo)熱性的影響

多壁碳納米管作為高效的導(dǎo)熱材料，在納米銀基復(fù)合焊料中起到了重要的作用。通過高低濃度銀氨溶液處理并在碳納米管內(nèi)部沉積銀粒子，大大提高了其導(dǎo)熱性能。碳納米管的長徑比和中空結(jié)構(gòu)使它在焊料中能夠形成有效的熱傳導(dǎo)路徑，快速散發(fā)焊接點(diǎn)處積累的熱量，氨基化處理和1，4二（2′，3′環(huán)氧丙基）全氟丁烷修飾也使得碳納米管在環(huán)氧樹脂中的分散性得到了提高，從而保證了均勻的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。研究顯示，經(jīng)過處理過的碳納米管可以明顯降低焊接點(diǎn)處的溫度梯度，避免出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象。而且，納米銀顆粒同改性碳納米管之間存在著很緊密的接觸界面，這種情形有助于加快熱量從焊點(diǎn)向周圍環(huán)境的轉(zhuǎn)移速度，從而提升了焊接點(diǎn)整體散熱的效果，使焊料具備很強(qiáng)的熱管理能力。

（三）微觀結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)機(jī)械性能的影響

納米銀基復(fù)合焊料的機(jī)械性能由各組分間的相互作用以及自身的微觀結(jié)構(gòu)決定。納米銀顆粒擁有較高的表面能，這使得焊接點(diǎn)具備良好的機(jī)械強(qiáng)度，即便是在較低的燒結(jié)溫度條件下也能實(shí)現(xiàn)可靠結(jié)合，而改性碳納米管的存在不但提升了導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，還在一定程度上增強(qiáng)了焊料的機(jī)械性能。碳納米管與納米銀顆粒之間存在著緊密接觸的界面，這種物理連接使焊接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度得以增加。經(jīng)相關(guān)研究得知，若想改善焊料的機(jī)械穩(wěn)定性，就要優(yōu)化碳納米管的分散狀況并改良表面處理工藝，這樣就能顯著提升焊料的機(jī)械穩(wěn)定度，使其能在復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中保持性能而不會輕易出現(xiàn)斷裂或失效現(xiàn)象。此外，通過調(diào)整固化劑和環(huán)氧樹脂之間的比例關(guān)系，還可以進(jìn)一步提高焊料的機(jī)械強(qiáng)度，從而保證它在實(shí)際使用時具有長久的可靠性。

（四）微觀結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)潤濕性的影響

潤濕性是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，納米銀基復(fù)合焊料的微觀結(jié)構(gòu)對其有著明顯的影響。助焊劑在清除氧化膜的同時，還推動了焊料和基板之間的潤濕性。不過，僅依靠助焊劑往往難以達(dá)到理想效果，特別是針對那些形狀比較復(fù)雜的焊點(diǎn)，經(jīng)過改良的碳納米管憑借表面氨基化處理以及1，4二（2′，3′環(huán)氧丙基）全氟丁烷修飾，減小了自身的表面張力，提升了與基板表面的親和力。這種改進(jìn)措施有利于提升焊料的鋪展性及潤濕性，從而保證焊接點(diǎn)得到均勻的覆蓋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過改性的碳納米管可以明顯改善焊料的潤濕效果，避免了由于潤濕不良造成的焊接缺陷，而且納米銀顆粒與改性碳納米管之間良好的結(jié)合，也使焊料的潤濕效果得到提高，從而為高質(zhì)量的焊接提供了保障。通過對納米銀顆粒的分散度以及改性碳納米管的含量進(jìn)行控制，可以進(jìn)一步改善焊料的潤濕效果，以適應(yīng)不同的焊接需求。

四、納米銀基復(fù)合焊料在集成電路焊接中的應(yīng)用策略

（一）根據(jù)集成電路需求優(yōu)化復(fù)合焊料配方

不同的集成電路對性能的要求各不相同，所以要“因地制宜”地去改良納米銀基復(fù)合焊料的配方。對于主要依靠信號處理的高速集成電路來說，它的要求非常高，必須達(dá)到極低的電阻，并且能夠使信號快速傳輸。這就要求我們在制作時可以適當(dāng)?shù)靥岣呒{米銀顆粒的比例，加強(qiáng)導(dǎo)電性能，這樣就能保證信號穩(wěn)定又高效地傳輸。對于功率集成電路而言，它工作的時候會發(fā)出大量的熱量，如果加入更多的改性碳納米管，就可以提升焊料的導(dǎo)熱能力，讓這些熱量盡快散發(fā)掉，從而避免芯片因?yàn)檫^熱而降低性能。在調(diào)整配方的時候也要考慮到其他成分之間的配合情況。例如，按照納米銀以及改性碳納米管的添加數(shù)量，來調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂的配比，從而保證焊料具有恰當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定度。改良固化劑的使用量，使得環(huán)氧樹脂能夠完全固化，形成牢固的結(jié)構(gòu)。精確把控助焊劑的含量，既要有效地清除焊接表面的氧化膜，也不能影響焊料的其他性能。通過這種針對集成電路需求的配方優(yōu)化策略，可以顯著改善焊接質(zhì)量并提升集成電路的整體性能。

（二）改進(jìn)復(fù)合焊料制備工藝以優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)

改性碳納米管制備：精準(zhǔn)把握每一步的條件（酸堿濃度/溫度/時間、銀氨溶液浸泡/負(fù)載時間），保證銀粒子均勻沉積且結(jié)合良好。

混合分散：利用先進(jìn)的超聲分散技術(shù)，合理設(shè)置功率與時間，使納米銀和改性碳納米管能夠在環(huán)氧樹脂中被均勻分散，避免出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。

固化工藝：優(yōu)化溫度與時間曲線，促進(jìn)環(huán)氧樹脂充分固化，形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。

（三）制定適合集成電路焊接的工藝規(guī)范

焊接溫度：利用納米銀低溫?zé)Y(jié)特性，將焊接溫度控制在較低范圍內(nèi)以避免熱損傷敏感元件，并按需進(jìn)行微調(diào)。

焊接時間：精確控制至關(guān)重要，過短會造成熔化不足與虛焊，過長則導(dǎo)致納米銀團(tuán)聚長大，破壞微觀結(jié)構(gòu)。

焊接環(huán)境：惰性氣體保護(hù)降低氧化，提升質(zhì)量穩(wěn)定性與一致性。

結(jié)語

通過細(xì)致地探究納米銀基復(fù)合焊料的微觀結(jié)構(gòu)，本文揭示了它在集成電路焊接性能上所具有的多方面影響。納米銀顆粒具有很好的導(dǎo)電能力，而經(jīng)過改良的碳納米管具備出色的導(dǎo)熱能力，兩者結(jié)合可使焊接點(diǎn)的各方面性能都得到提升。改善微觀結(jié)構(gòu)，如調(diào)整納米銀顆粒的分布狀況或者對碳納米管表面進(jìn)行處理，能夠顯著加強(qiáng)焊接點(diǎn)的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度。此外，制定科學(xué)合理且合適的焊接工藝規(guī)范，并精準(zhǔn)調(diào)控焊接的溫度、時間以及環(huán)境等因素，將進(jìn)一步保證焊接質(zhì)量。隨著納米技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用需求不斷增加，納米銀基復(fù)合焊料或許會在更多集成電路焊接場合發(fā)揮作用，推動電子技術(shù)不斷發(fā)展，為制造高性能電子設(shè)備提供更可靠的焊接解決方案。

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