一种表面改性纳米银粉、银膏、制备方法及应用与流程

本技术涉及电子封装材料，特别涉及一种表面改性纳米银粉、银膏、制备方法及应用。

背景技术：

1、第三代半导体材料，如氮化镓(gan)和碳化硅(sic)，是继以硅(si)基半导体材料为代表的第一代半导体材料和以砷化镓(gaas)和锑化铟(insb)为代表的第二代半导体材料之后，在近些年发展起来的新型半导体材料，以其高的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率和高工作温度特性而闻名，更适合当前对高功率、高温、高能效以及轻便化的需求，已经在电源、射频通信、光电子学等领域展现出广泛的应用前景。而作为第三代半导体封装的互联材料，起着导热和导电的作用，影响着器件电路的导通和互联的可靠性能。近年来高导热烧结银技术逐渐应用于高功率器件的封装，烧结银作为一种高导热性材料，因块体银材料具有较高的抗氧化能力、高的电导率(1.6×10-6ω·cm)、高的熔点(961℃)、高的热导率(429w/(m·k))、良好的延展性等机械性质和以及合适的价格，赋予烧结银膏在烧结之后形成的互联烧结银层同样具有优异的导电、导热性能、优异的工作温度和优异的稳定性能，为第三代半导体器件的散热和连接提供了可靠的解决方案。

2、烧结银膏是由银粉和有机助剂构成，通过物理混合工艺制成。而烧结银膏的烧结过程可分为施加辅助压力和无辅助压力的烧结工艺，因此分为有压烧结银膏和无压烧银膏。有压烧结银膏：其银粉粉体以微米银粉组成，其在烧结过程中以通过施加压力，增加银粉烧结的驱动力，降低烧结过程中的温度；然而无压烧结银膏在使用的过程中需要增加辅助压力，其压力甚至达到30mpa，增加了芯片损坏的风险，并提高了芯片制造的工艺难度，增加了芯片封装的工艺成本。因此无压烧结技术需求更满足现在封装的形式，而无压烧结银膏由纳米银粉或纳米银粉和微米银粉复配组成，其烧结过程以表面能较高的纳米银粉作为主要驱动力，在较低温度就可以实现银的烧结，从而降低了烧结过程中的对烧结辅助压力的要求，从而实现无压低温烧结的效果。

3、但无压烧结银膏中的纳米银粉在生产和保存过程中还存在许多问题，我们知道纳米银材料在生产的过程中，会使用表面配体来吸附在银粒子上，以降低银粒子的表面能，从而使银粒子在常温下可以稳定存在。然而在使用过程中我们发现表面配体在纳米银材料上吸附不均匀，导致纳米银材料表面部分裸漏，存在较高的表面能，导致其在室温下自发团聚，此外我们还发现大量残留的表面配体会增加纳米银材料的能量势垒，降低了纳米银的烧结驱动力，导致其烧结性能变差。因此，如何避免纳米银粉体在室温下自发团聚和降低其表面配体含量，是纳米银粉应用于烧结银膏中的所必须解决的问题。

技术实现思路

1、鉴于此，有必要针对现有技术存在的因纳米银粉的表面配体过量及纳米银粉团聚的问题提供一种增强银粉的低温烧结性能，满足无压烧结工艺的需求，封装后形成优异的烧结银接头的表面改性纳米银粉、银膏、制备方法及应用。

2、为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：

3、本技术目的之一，提供一种纳米银粉表面改性的方法，将纳米银粉和第一有机酸超声分散在溶剂中并进行搅拌处理，再经分离干燥后获得表面改性的纳米银粉；其中，所述纳米银粉、所述有机酸及所述溶剂的质量比为1：(0.01-1)：(10-50)。

4、在其中一些实施例中，所述纳米银粉的微观结构包括但不限于球形、类球形、棒状、线状、片状、中空、核壳、花状及其它结构。

5、在其中一些实施例中，所述纳米银粉的微观结构为球形和片形，所述的纳米银粉其粒径尺寸小于500nm。

6、在其中一些实施例中，所述纳米银粉的表面含有表面配体，所述表面配体的种类包括但不限于第二有机酸、有机胺、聚合物。

7、在其中一些实施例中，所述第一有机酸包括但不限于乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、辛酸、癸酸，草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、辛二酸、己二酸及柠檬酸中的一种或多种。

8、在其中一些实施例中，所述第一有机酸的分解温度低于所述表面配体的分解温度，所述第一有机酸的分解温度不高于250℃。

9、在其中一些实施例中，所述溶剂包括但不限于去离子水、乙醇、异丙醇、丁醇中的一种或多种。

10、在其中一些实施例中，在将纳米银粉和第一有机酸超声分散在溶剂中并进行搅拌处理，再经分离干燥后获得表面改性的纳米银粉的步骤中：

11、所述超声分散的分散功率为10～1000w，时间为5～30min，温度为5～60℃；所述搅拌处理的转速为100～1000r/min，温度为5～60℃，时间为20-360min；所述分离为固液分离，所述固液分离包括离心或过滤或膜分离，所述干燥为冷冻干燥。

12、在其中一些实施例中，所述冷冻干燥包括将冷冻溶剂与固液分离后的纳米银粉混合均匀，在-70℃～-10℃温度下，2pa～20pa的冷冻干燥机中干燥3h～12h，所述冷冻溶剂为叔丁醇和去离子水的一种或两种的混合。

13、本技术目的之二，提供了一种表面改性纳米银粉，由任一项所述的纳米银粉表面改性的方法制备得到。

14、本技术目的之三，提供了一种银膏的制备方法，包括下述步骤：

15、将60-90％的银粉、10-40％的溶剂体系混合均匀得到烧结银膏；其中，所述的银粉包括微米级银粉和所述的表面改性纳米银粉。

16、在其中一些实施例中，所述微米银粉的颗粒尺寸为1-10μm，所述微米银粉为片状银粉。

17、在其中一些实施例中，所述溶剂体系包括但不限于醇类溶剂、醚类溶剂、酯类溶剂中一种或者两种以上的混合，所述醇类溶剂包括松油醇、乙二醇、二乙二醇或正癸醇中的至少一种，所述醚类溶剂包括乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、二乙二醇己醚、三乙二醇二甲醚中的至少一种，所述酯类溶剂包括柠檬酸三乙酯、柠檬酸三丁酯中的至少一种。

18、本技术目的之四，提供了一种银膏，由所述的银膏的制备方法制备得到。

19、本技术目的之五，提供了一种封装组件，包括依次层叠设置的基板层、烧结银层和芯片层，所述烧结银层包括所述银膏，所述烧结银层的中的银原子扩散以实现所述芯片层和所述基板层的互联。

20、在其中一些实施例中，所述芯片层表面为镀银或镀金，所述基板层为裸铜、镀银或镀金。

21、本技术目的之六，提供了一种封装组件的制备方法，在基板层上设置所述的烧结银层，在所述烧结银层上设置芯片层，所述烧结银层包括权利要求14所述银膏，所述烧结银层的中的银原子扩散以实现所述芯片层和所述基板层的互联。

22、本技术目的之七，提供了一种所述的银膏在电子封装领域中的应用。

23、本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：

24、本技术提供的表面改性纳米银粉、银膏及其制备方法，将纳米银粉和第一有机酸超声分散在溶剂中并进行搅拌处理，再经分离干燥后获得表面改性的纳米银粉；其中，所述纳米银粉、所述有机酸及所述溶剂的质量比为1：(0.01-1)：(10-50)，其利用有机酸对纳米银粉体进行表面配体交换，解决了因纳米银粉的表面配体过量存在及纳米银粉团聚的问题，增强银粉的低温烧结性能，增大了无压烧结银接头的力学性能。此外本发明的烧结银膏其溶剂体系为多元溶剂的复配体系，多元溶剂的存在使银膏在烧结的过程中溶剂挥发呈现阶梯状，使银膏中的银粉颗粒烧结过程中烧结扩散的更加充分，实现更密实的互联结构，大大增强烧结银在服役过程中的可靠性。

25、本技术提供的表面改性纳米银粉及银膏可应用领域为电子封装领域，制备的封装组件为三明治结构，包括依次层叠设置的基板层、烧结银层和芯片层，所述烧结银层包括所述银膏，所述烧结银层的中的银原子扩散以实现所述芯片层和所述基板层的互联，通过无压烧结工艺步骤使烧结银膏中的溶剂挥发，银粉之间发生烧结形成网状的银互联结构，从而降低了烧结过程中的对烧结辅助压力的要求，实现无压低温烧结的效果。