一种用于电子封装的粘合剂及其制备方法与流程

本发明属于电子封装领域，具体是一种在电子封装过程中粘合电子元件的粘合剂及其制备方法。

背景技术：

电子封装（electronic packaging）至少分为两个步骤，第一步是将单个的电子元件（如LED芯片等）封装成一个组件（模组），构成多元件组件，即所谓的第一层次封装（first level packaging）；第二步是将多个多元件组件封装在印制电路板（printedcircuit board）上，即所谓的第二层次封装（second level packaging）。以上合称“电子封装分层”（electronic packaging hierarchy）。

为了实现电子封装分层，一般需进行“分级粘合”，该过程需要两种熔点温度明显不同的粘合剂。在第一层次封装中，利用较高熔点的粘合剂将电子元件封装在基底上，形成多元件组件；在第二层次封装中则利用较低熔点的粘合剂将多元件组件封装在印制电路板上；这样可以避免第一层次封装中使用的粘合剂在第二层次封装过程中再次熔化。

目前在第二层次封装中，应用较多的是熔点为219摄氏度的锡银铜（Sn-Ag-Cu）粘合剂。要想熔化该粘合剂，烘箱温度一般需设定在该粘合剂熔点温度以上30摄氏度左右即大约250摄氏度。这就意味着在第一层次封装过程中所使用的粘合剂熔点需要比250摄氏度还高出一定范围，然而能达到这个要求的合适粘合剂并不多。高铅含量的锡铅粘合剂（锡铅质量比为90:10或95:5）在多年前被使用，不过随着铅造成环境污染的问题，该粘合剂无法得到大规模使用。另一种选择是锡锑粘合剂，如固相线温度为248摄氏度的锡锑粘合剂（锡锑质量比为90:10），然而29摄氏度的差距（248-219）较小，不能很好地适应温度的需要。

目前一些企业使用熔点为280摄氏度的金锡粘合剂（金锡质量比为80:20），虽然该粘合剂熔点较高，但是其在重量上含有80%的黄金，价格比起其他材料昂贵许多。

另一种备选粘合剂是加银环氧树脂（silver epoxy）粘合剂。典型的加银环氧树脂粘合剂包括片状银粉和环氧树脂（epoxy）。银起导电和导热的作用，环氧树脂起粘合的作用。该粘合剂的缺点是：一、因含有90%以上质量比的银，同样存在价格昂贵的问题。二、该粘合剂的导热性很低，其导热系数只有2-5W/mK，而上述的金锡粘合剂（金锡质量比为80:20）的导热系数为57W/mK。虽然银是高导热材料，其导热系数达到400W/mK，但是片状银粉被环氧树脂所隔开，环氧树脂大大降低了银的高导热性能。三、该粘合剂的粘性完全来源于环氧树脂，因为银的高含量，小部分的环氧树脂不能够提供较高的粘性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于电子封装的粘合剂及其制备方法，以解决电子封装过程中粘合剂熔点较低、成本较高、导热性和导电性均偏低的问题。

本发明中粘合剂的技术方案为：

一种用于电子封装的粘合剂，由颗粒状物质组成，所述颗粒状物质包括三层，内芯为铜或铜合金；中间层为锡或锡合金；外层为松香。

所述粘合剂中加入环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂中的一种或多种。可增加粘合剂的粘性。

所述内芯的直径优选为5至25微米。

所述内芯的铜合金优选为铜锡或铜锌合金中的一种。

所述中间层的厚度优选为1至5微米。

所述中间层的锡合金优选为锡铅、锡铟、锡银、锡铜、锡锑、锡铋合金中的一种。

所述外层的厚度优选为0.8至2微米。

本发明中粘合剂制备方法的技术方案为：

一种用于电子封装的粘合剂的制备方法，包括以下步骤：（1）将氯化亚锡结晶（SnCl₂·2H₂O）和还原剂、络合剂、pH值调整剂相混合，制备成镀锡溶液；（2）将铜粉末颗粒浸泡在所述镀锡溶液中，形成中间的锡层；（3）将形成中间锡层的铜粉末颗粒浸泡在松香与异丙醇混合的溶液中，形成松香外层；（4）将形成松香外层的颗粒干燥得到成品。

所述还原剂优选为三氯化钛，所述络合剂优选为为乙二胺四乙酸（EDTA）、氨三乙酸（NTA）和硫脲，所述pH值调整剂优选为氨水。

本发明粘合剂的有益效果：（1）大幅度提升了粘合剂的熔点温度，降低了在第二层次封装过程中第一层次封装粘合剂再次熔化的风险；（2）大大降低了粘合剂的制造成本；（3）保持了粘合剂良好的导电性和导热性；（4）粘合剂粘性加强，特别加强了粘合剂与封装基底的粘性。

附图说明

图1是本发明粘合剂中颗粒状物质的示意图。

图2是电子封装分层的示意图。

附图标记说明：1-内芯、2-中间层、3-外层、4-电子元件、5-多元件组件、6、印制电路板。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求所限定的范围。

关于粘合剂的实施例1：

图1是本发明粘合剂中颗粒状物质的示意图。如图1所示，一种用于电子封装的粘合剂，由颗粒状物质组成，其特征在于：所述颗粒状物质包括三层，内芯1为纯铜，直径为25微米；中间层2为纯锡，厚度为5微米；外层3为松香，厚度为2微米。粘合剂中加入环氧树脂。

相比于金和银，铜的价格要低很多，铜价格仅为银的百分之一，仅为金的几千分之一；同时锡的价格也很低，可大大降低粘合剂的成本。铜的导热系数为401W/mK，相比于金（317W/mK）和银（429W/mK），基本处于同一导热水平。铜的电阻率为1.75×10^-8Ω·m，相比于金（2.40×10^-8Ω·m）和银（1.65×10^-8Ω·m），也基本处于同一导电水平。能与金和银制成的粘合剂材料一样，具有良好的导热和导电效果。

锡中间层有三个作用。一是防止铜被氧化；二是让铜颗粒更好地聚合，铜的熔点为1083摄氏度，锡的熔点为232摄氏度，当铜颗粒和锡层在232摄氏度以上加热，锡层熔化，熔化的锡起到类似胶水的效果，将铜颗粒聚合在一起，并为导电和导热提供持续的通道；三是熔化的锡与电子元件封装底座上的金属板反应粘合，达到封装的目的，相比于现有的粘合剂具有更好的粘性。

图2是电子封装分层的示意图。电子封装至少分为两个步骤，第一步是将单个的电子元件4（如LED芯片等）封装成一个模组，构成多元件组件5，即所谓的第一层次封装；第二步是将多个多元件组件5封装在印制电路板6上，即所谓的第二层次封装。第一层次封装粘合剂熔点应明显高于第二层次封装粘合剂熔点，这样可避免第一层次封装中使用的粘合剂在第二层次封装过程中再次熔化。本发明中，当锡处于熔化状态时，铜原子开始溶入液态锡。当铜含量超过铜在锡中的溶解限度，固态的铜锡化合物（Cu₆Sn₅或Cu₃Sn）沉淀析出。因为锡层很薄，短时间内所有的液态锡均转变为铜锡化合物。铜锡化合物会一直保持固态，除非其被加热到415摄氏度以上才会被分解。铜锡化合物415摄氏度的高熔点足够达到第一层次封装需要的温度要求。当然，根据封装层次的其他粘合剂熔点温度，本发明粘合剂同样可以应用于第二层次封装甚至更高层次的封装。当粘合过程结束后，原有的锡层不复存在，转变为铜锡化合物层。

松香外层具有两个作用。第一个作用是：在室温下松香具有化学惰性，可以防止铜被氧化；同时有助于铜颗粒与锡层的紧密结合。第二个作用是：锡也会被氧化形成氧化锡和氧化亚锡。松香可以方便锡氧化物的破碎过程，因为当温度升高到100至150摄氏度以上，松香即具有较强的化学活性，能够减少甚至消除锡氧化物。当粘合过程结束后，绝大部分松香在高温环境下挥发。

关于粘合剂的实施例2：

与实施例1基本相同，不同之处在于：内芯1为铜锌合金，内芯1直径为10微米。

关于粘合剂的实施例3：

与实施例1基本相同，不同之处在于：中间层2为锡铟合金，中间层2厚度为2微米。

关于粘合剂的实施例4：

与实施例1基本相同，不同之处在于：外层3厚度为1微米。

关于粘合剂的实施例5：

与实施例1基本相同，不同之处在于：粘合剂中加入有机硅树脂而非环氧树脂。

关于粘合剂制备方法的实施例6：

用于电子封装的粘合剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取纯铜颗粒5g，颗粒直径为25微米。

（2）为了获得更好的粘合剂成品，将5克铜颗粒浸泡在异丙醇液体中，用超声波清洗5分钟，干燥。将铜颗粒浸泡在浓度为5%的稀盐酸溶液中5分钟，去除氧化铜和氧化亚铜。用冰乙酸清洗铜颗粒，去除氢氧化铜（Cu(OH)₂）。再用氮气烘干乙酸。此步骤可去除铜颗粒的表面杂质。

（3）将铜颗粒浸泡在1L镀锡溶液中，镀锡溶液中成分包括：氯化亚锡结晶（浓度：0.08mol/L）、三氯化钛（浓度：0.04mol/L）、乙二胺四乙酸（浓度：0.08mol/L）、氨三乙酸（浓度：0.2mol/L）、硫脲（浓度：0.08mol/L）以及28%氨水溶液。氯化亚锡结晶提供二价锡离子，三氯化钛提供三价钛离子作为还原剂，乙二胺四乙酸是锡离子的络合剂，氨三乙酸是钛离子的络合剂，硫脲是铜的络合剂。28%氨水溶液是pH值调节剂，通过氨水溶液将pH值调到9.0，温度控制在70摄氏度。化学反应式为：Ti³⁺ + 4OH^- = TiO₂ + 2H₂O + e^-。反应中释放的电子减少溶液中产生的锡离子，并使之沉积在铜颗粒表面形成锡层。反应时间为45小时左右。镀锡过程中，镀锡溶液容器放置在振动台上以提升反应效率。

（4）为了获得更好的粘合剂成品，将240克的工业级磷酸（85%）、20克的亚甲基磷酸和水混合制成1升的溶液。在50摄氏度的环境下，将镀完锡层的铜颗粒浸入到该溶液中5秒钟。用纯净水清洗，用100摄氏度的热空气进行干燥。此步骤可防止锡层被氧化。

（5）将5克的松香与100毫升的异丙醇混合，搅拌使其充分溶解。将镀锡的铜颗粒浸泡在该溶液中。排掉溶液并在空气中干燥，得到粘合剂成品。