低压辅助纳米银焊膏连接大面积基板和散热装置的方法与流程

本发明涉及一种低压(压力低于5mpa)辅助纳米银焊膏连接大面积(粘接面积大于800mm²)基板和散热底板、热沉等的烧结方法，属于将新型热界面材料纳米银焊膏应用于大功率电子电力封装系统的新型封装方法。

背景技术：

半导体器件在工作过程中局部区域会产生大量的热量，这些热量需要及时有效的传导出去，以保证半导体器件的正常工作。对于高温大功率电子电力封装系统中，散热是决定整个系统工作效率和可靠性的关键问题。热界面材料能够有效填补基板和冷却装置(散热底板、热沉等)接触面的空气间隙，起到连接和辅助散热的作用。目前广泛研究的热界面材料有；热油脂，凝胶，相变材料和粘合剂。热油脂和凝胶工艺简单，但是热传导性能不佳；凝胶在高温长时间工作时性能会不断下降；采用焊料作为热界面材料可以有效的减小热阻，但界面处会形成脆性的金属间化合物，导致界面层易发生疲劳失效。

纳米银焊膏是一种新型绿色的热界面材料。银具有优异的导热性能，采用纳米银颗粒添加有机溶剂充当分散剂、粘接剂和稀释剂辅助烧结。分散剂主要用来防止烧结过程中，由于纳米粒子的团聚和聚合现象导致的致密化驱动力的消耗；粘接剂起到分散并支撑银粒子的作用；稀释剂用来调整焊膏流动性和粘性以便适用于点胶技术和丝网印刷技术。采用纳米银焊膏可以实现低温(低于300℃)烧结。烧结后的多孔银层具有优良的导热性能。此外，银的熔点高达961℃。因此烧结银层有望在高于300℃温度下稳定工作。

采用纳米银焊膏作为热界面材料连接大面积基板和热沉等时，通常尝试采用的工艺有两类：(1)把纳米银焊膏均匀的印刷在基板上，在一定温度下敞开在空气中干燥，挥发出全部或大部分低温有机溶剂。然后把另一块散热基板或热沉放在已干燥的纳米银上，在200℃到300℃之间加压烧结。干燥后的焊膏层虽然形状固定，没有裂纹，但加压形变能力和烧结性能下降。因此施加的烧结压力通常高于10mpa。此类烧结工艺中施加的高压有可能导致基板翘曲、变形或者断裂，将影响工业生产中的成品率。(2)把湿润的纳米银焊膏均匀的印刷在基板上，不经任何敞开干燥过程，直接充分接触另一块散热基板或热沉，然后通过一定的温度曲线进行封闭干燥和烧结。此类烧结工艺的缺点在于利用湿润的纳米银焊膏使两块基板接触后，大量的液体有机物存在于焊膏内，在封闭干燥过程中，有机物难以挥发完全，会有大量有机物残留，当温度高于残留有机物沸点时，液体有机物沸腾，此时焊膏并未完全干燥，因此产生撒面积的空洞和裂纹，严重影响烧结基板的导热性能和可靠性。

上述两种工艺各有利弊。发明一种低压(1mpa-5mpa)辅助纳米银焊膏连接大面积(≥800mm²)基板和散热装置(散热底板、热沉等)的烧结工艺对低纳米银焊膏作为新型热界面材料的应用至关重要。本发明的低压辅助纳米银焊膏连接大面积基板的烧结工艺能确保烧结后焊膏层没有宏观裂纹和分层，具有较高的粘接强度。同时，降低烧结压力能提高成品率，进而有效降低工业成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低压辅助纳米银焊膏连结大面积基板和散热装置的方法。以该方法制得的大面积基板界面连接银层导热性能优异，无裂纹，工艺操作过程简单，节能。

为了达到上述目的，本发明的低压辅助纳米银焊膏连接大面积基板的方法步骤如下：

(1)基板预处理后，采用钢网印刷控制厚度的方式，利用刮刀将80μm厚的纳米银焊膏均匀预涂覆在基板表面，然后在120℃干燥90min；

(2)再次采用钢网印刷控制厚度的方式，在已干燥的纳米银焊膏上印刷第二层纳米银焊膏，第二层纳米银焊膏的厚度为15-25μm；

(3)将另一块基板对接在涂有纳米银焊膏的基板上；

(4)将对接好的两块基板放在预热好的热压机上，以65℃-85℃/min的升温速率迅速从室温升至160℃-200℃后，立即施加1mpa-5mpa压力；然后再以5℃/min升温至275℃，在275℃加压烧结60min，最终制得烧结连接试样。

所述纳米银焊膏中银的含量为85％。

所述积基板面积大于800mm²。

所述基板为铜基板。

所述步骤(1)中基板预处理是指基板清洗后，电镀10μm的银层，然后将镀银基板在超声波清洗仪中清洗，清洗后用无尘纸擦拭。

所述制得的烧结连接试样剪切强度在27.1mpa-70.2mpa之间，平均剪切强度高达59.2mpa。

该方法专门针对于基板面积大于800mm²的大面积基板和散热装置(散热底板、热沉等)之间的连接，采用双层印刷纳米银焊膏工艺的目的是确保第二层纳米银焊膏厚度比较薄，既保证了湿润的纳米银焊膏和另一块基板之间的充分接触，同时有机物的含量不至于过高；有利于后续烧结过程中有机物的挥发。工艺中创新性的引入“快速干燥过程(以65-85℃/min从室温到160℃-180℃)”，经过快速干燥过程后纳米银焊膏层无裂纹，并且采用较小的压力(1mpa-5mpa)即能使烧结后的纳米银焊膏层结构致密，粘接强度高。快速干燥的目的是为了使有机溶剂迅速挥发，并冷却在另一基板的表面上。快速干燥过程中，升温速率非常快，大部分有机溶剂会迅速挥发出来，因此纳米银焊膏层不会有裂纹产生。由于干燥时间很短，纳米银焊膏层并没有完全干燥，在低压下即具备较大的变形能力。快速干燥过程对形成致密化，粘接强度高的烧结银层至关重要。

该发明采用纳米银焊膏是一种新型环保的热界面连接材料，焊膏中银的含量为85％，焊膏中存在纳米银颗粒，可以实现低温(﹤300℃)烧结。形成的烧结银接头具有优异的导热性能(2w/k·㎝)、弹性模量约为纯银的13％、烧结银接头的理论熔点达961℃，有望实现低温烧结，高温条件下稳定应用。作为新型界面连接材料，烧结纳米银具有优良的导热性能。除此之外，由于银的熔点为961℃，因此纳米银焊膏非常适宜封装宽禁带半导体器件封装系统并发挥其高允许工作结温的优势。而且烧结后的纳米银呈多孔结构，弹性模量低，韧性好，大大提高了连接装置的热机械性能。因此采用纳米银焊膏作为界面连接材料，能有效的连接大面积基板和冷却装置(散底基板、热沉等)。连接后烧结银层导热性能优异，可靠性高。

采用该工艺烧结的大面积基板连接结构，其平均剪切强度高于30mpa，这表明该烧结工艺适合大面积烧结，能够获得高强度的连接结构，为提高模块的整体导热性能奠定了基础。

该发明中的烧结工艺过程简单，易于实现工业化生产，烧结银层粘接强度高，烧结压力较小，能够增加成品率，节约高压所引入的烧结成本，节能环保。该发明工艺有望使纳米银焊膏应用于热界面材料领域，替代有诸多不足的传统热界面材料应用于高温大功率半导体模块中。

附图说明

图1低压辅助纳米银焊膏连结大面积基板和散热装置的烧结方法的制作流程。

图2低压辅助纳米银焊膏连结大面积基板和散热装置的烧结工艺曲线。

图3烧结过程图例。

图4烧结连接试样横截面微观结构。

图5烧结连接试样剪切强度分布。

具体实施方式

如图1所示为低压辅助纳米银焊膏连结大面积基板和散热装置的方法的制作流程。如图2所示为低压辅助纳米银焊膏连结大面积基板和散热装置的烧结工艺曲线。下面结合图1和图2对低压辅助纳米银焊膏连接大面积基板和散热装置的具体烧结流程加以详细说明：

(1)预处理过程如下：采用99.9％的紫铜基板，基板面积大于800mm²，切成25.4mm*45.72mm*1mm，清洗后电镀10μm的银层；将镀银铜基板在超声波清洗仪中清洗10min，清洗后用无尘纸擦拭；

(2)将清洗干净的基板放在模具底座上，将与底座相匹配的钢网固定在放有基板的底座上，如图1(a)所示，采用钢网印刷控制厚度的方式，利用刮刀将80μm厚的纳米银焊膏均匀预涂覆在基板表面；

(3)印刷好第一层纳米银焊膏后，将铜网从模具底座取下，将刷有纳米银焊膏的基板放在加热台上，以5℃/min的速度升温至120℃并保温90min，所有低温有机物完全挥发，干燥后的第一层纳米银焊膏的厚度约为55-65μm；

(4)如图1(b)所示，将干燥好的基板放在模具底座中，再次将80μm铜网印刷磨具固定在模具底座上，如图1(c)所示，印刷第二层湿润的纳米银焊膏，如图1(d)所示，第二层纳米银焊膏的厚度约为15-25μm，上述步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中纳米银焊膏中银的含量为85％；

(5)印刷好第二层纳米银焊膏后，将钢网从模具底座上取下，将对接另一块25.4mm*45.72mm*1mm基板的模具固定在底座上，如图1(e)所示；

(6)将对接模具从底座上取下，将对接好的试样按照如图2所示的烧结曲线加压烧结。如图3(a)所示为对接好的试样；

(7)将热压机温度设置为180℃-220℃，待温度稳定后将对接好的结构放入热压机中，采用热电偶实时监控纳米银焊膏层的温度，当纳米银焊膏层的温度达到160℃-200℃时，如图3(b)所示，大部分有机物迅速蒸发并在上基板冷凝成小液滴。此时立即施加1mpa-5mpa的压力，如图3(c)所示。以5℃/min升温至275℃并烧结1小时。如附图3(d)-(f)所示是烧结过程中有机物由外到内依次挥发的过程；

(8)将烧结好的试样随热压机冷却，冷却时压力保持不变。

为了对低压辅助纳米银焊膏连接大面积基板和散热装置的烧结工艺的烧结效果进行表征，以附图1中t1＝180℃，p1＝2.8mpa条件下烧结的试样为例，表征本发明中大面积基板和散热装置的烧结工艺的烧结效果。为了表征该试样的微观结构和粘接强度，我们把该试样(25.4mm*45.72mm)沿长度方向切割成两等份，一部分用以观察横截面微观结构，另一部分再次切割成16等份，用于测量其空间剪切强度分布。如图4所示为烧结后的试样截面的微观结构。烧结后试样的多孔焊膏层结构均匀致密，焊膏层与两侧基板结合紧密，无分层现象。焊膏层的孔隙率低达15.6％。如图5所示为该试样的剪切强度的空间分布图。从图中可以看出，试样的剪切强度在27.1mpa-70.2mpa之间。平均剪切强度高达59.2mpa。因此，通过本发明中的烧结工艺，采用较低压力(低于5mpa)就能够实现大面积(800mm²)基板和散热装置的烧结，并且烧结连接试样微观结构均匀致密，粘接强度高。