一种银纳米焊膏低温无压烧结方法与流程

本发明属于电子封装微连接技术领域，涉及一种银纳米焊膏的低温无压烧结方法，具体涉及一种基于氧等离子体表面活化和甲醛蒸汽处理银纳米焊膏低温无压烧结的方法。

背景技术：

银纳米焊膏是一种重要的电子封装连接材料，烧结温度远低于其对应块体材料的熔点，烧结体有优良的热导率和电导率，可以实现高温烧结低温服役。而传统的锡基焊膏、导电胶等在高温(>300℃)下易失效难以服役，因此银纳米焊膏可以在高温、大功率芯片连接领域有效的替代传统连接材料。一般来说，银纳米焊膏中存在一定的有机物，以防止银纳米颗粒的团聚，改善其流动性和粘度，而烧结时有机物产生的气体难以排出烧结体外，会导致烧结体强度的下降。目前多选择在烧结过程中施加辅助压力(1～20MPa)使有机物分解产生的气体排出烧结体外。

随着三维封装的发展，芯片在纵向上的集成度不断提高，单个芯片的厚度大大减小，而较高的辅助压力往往会使超薄芯片产生不可逆的损坏。另一方面，随着柔性电子器件的发展，较高的烧结温度也有可能破坏柔性结构。因此，银纳米焊膏的低温无压烧结技术对其应用和发展具有重要的研究意义。

技术实现要素：

针对上述银纳米焊膏烧结温度高，需要辅助压力的问题，本发明提供了一种银纳米焊膏低温无压烧结方法。该方法能够在200℃、无压条件下实现烧结，达到较高的剪切强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种银纳米焊膏低温无压烧结方法，按照以下步骤实现银纳米焊膏的低温无压烧结：用等离子体设备对银纳米焊膏进行氧等离子体表面活化→采用甲醛蒸汽处理装置对表面活化过的银纳米焊膏进行处理→将芯片放于银纳米焊膏之上→低温无压烧结，具体实施步骤如下：

步骤一、将银纳米焊膏涂覆于铜基板或铜焊盘之上，置于等离子体设备中进行氧等离子体表面活化，其中：所述银纳米焊膏为市面上常用的CT2700R7S焊膏，涂覆厚度小于50μm，所述活化时间为5～30s；

步骤二、将步骤一表面活化后的银纳米焊膏放于甲醛蒸汽处理装置下，在室温下进行甲醛蒸汽吹扫，其中：所述甲醛蒸汽处理装置中的溶液为甲醛水溶液或甲醛和氢氧化钠的混合溶液；所述甲醛水溶液中，甲醛的体积浓度为0.3～0.5％；所述甲醛和氢氧化钠的混合溶液中，甲醛的体积浓度为0.3～0.5％，氢氧化钠的浓度为0.1～0.5mol/L；所述吹扫时间为20～40s；

步骤三、将芯片放于步骤二处理后的银纳米焊膏上，其中：所述芯片的面积为1×1mm²～5×5mm²；

步骤四、将步骤三的整体结构进行无压低温烧结，其中：所述烧结温度为150～220℃，时间为10～30min。

本发明的低温无压烧结机理如下：

氧等离子体表面活化是一种有效的去除有机物的方法，通过氧等离子体表面活化，使银纳米焊膏中防止纳米颗粒团聚的有机包覆层聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和调节焊膏流动性和粘度的二乙二醇部分分解。较薄的PVP有机包覆层可降低银纳米颗粒的烧结温度，同时有机成分的整体减少可以降低烧结过程中产生的气体量，减少烧结体中的气孔，提高其机械强度，使之可以实现低温无压烧结。而在氧等离子体表面活化过程中产生的氧化银，可以用第二步甲醛蒸汽处理，使之还原成银。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明在烧结前利用氧等离子体表面活化和甲醛蒸汽处理的两步预处理方法去除银纳米焊膏中的多余有机物，相比于不处理的焊膏可以实现低温无压烧结，能够防止芯片受损。

附图说明

图1为本发明银纳米焊膏低温无压烧结方法的工艺流程图；

图2为氧等离子体表面活化不同时间的烧结体截面图，(a)为未活化，(b)为活化10s，(c)为活化20s，(d)为活化30s；

图3为氧等离子体表面活化不同时间的银纳米焊膏的傅里叶红外光谱；

图4为实施例1中利用氧等离子体表面活化10s并用甲醛蒸汽处理不同时间得到的烧结结构剪切强度的柱状图；

图5为实施例2中利用氧等离子体表面活化10s并用甲醛-氢氧化钠蒸汽处理不同时间得到的烧结结构剪切强度的柱状图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

本实施例利用氧等离子体表面活化和甲醛蒸汽处理的方法实现了银纳米焊膏的低温无压烧结，如图1所示，具体实施步骤如下：

(1)将50μm厚的掩膜覆于铜基板之上，将银纳米焊膏涂于掩膜之中，刮板刮平后去除掩膜，将焊膏厚度控制在50μm以内。

(2)氧等离子体表面活化：将涂覆好的纳米银焊膏放于等离子体设备中进行氧等离子体表面活化10s。

(3)甲醛蒸汽处理：甲醛蒸汽处理装置中的溶液为体积浓度为0.4％的甲醛水溶液，向溶液中通入氮气，气流量为0.1m³/h，产生甲醛蒸汽。用甲醛蒸汽吹扫氧等离子体表面活化过的银纳米焊膏，将产生的氧化银还原为银。

(4)将铜芯片覆于两步处理后的银纳米焊膏上，在200℃低温下无压烧结。

氧等离子体表面活化不同时间的银纳米焊膏烧结结构如图2所示，氧等离子体表面活化可以明显减少烧结结构的气孔，表面活化10s即可得到致密的烧结结构，且有良好的剪切强度。

图3为利用傅里叶红外光谱对氧等离子体表面活化不同时间的银纳米中有机物的分析，随氧等离子体表面活化时间增长位于2854cm^-1处C-H峰和位于1274cm^-1处C-N峰逐渐变弱，说明长链PVP随氧等离子体表面活化的时间增长逐渐分解成短链。位于3290cm^-1处O-H峰逐渐变弱说明银纳米焊膏中的有机溶剂二乙二醇也随着氧等离子体处理的时间增长逐渐氧化分解。

按照本实施例所述方法得到烧结结构的剪切强度如图4所示，两步处理后剪切强度有明显提高，甲醛蒸汽处理时间为30s时效果最好。

实施例2：

本实施例利用氧等离子体表面活化和甲醛氢氧化钠蒸汽处理的方法实现了银纳米焊膏的低温无压烧结，如图1所示，具体实施步骤如下：

(1)将50μm厚的掩膜覆于铜基板之上，将银纳米焊膏涂于掩膜之中，刮板刮平后去除掩膜，将焊膏厚度控制在50μm以内。

(2)氧等离子体表面活化：将涂覆好的纳米银焊膏放于等离子体设备中氧等离子体表面活化10s。

(3)甲醛氢氧化钠蒸汽处理：甲醛氢氧化钠蒸汽处理装置中的溶液为体积浓度为0.4％甲醛和0.1mol/L氢氧化钠的混合水溶液，向溶液中通入氮气，气流量为0.1m³/h，产生甲醛氢氧化钠蒸汽。用甲醛氢氧化钠蒸汽吹扫氧等离子体表面活化过的银纳米焊膏，将产生的氧化银还原为银，同时生成物中的甲酸与氢氧化钠中和消耗，推动还原反应的进行。

(4)将铜芯片覆于两步处理后的银纳米焊膏上，在200℃低温下无压烧结。

按照本实施例所述方法得到烧结结构的剪切强度和方阻变化如图5所示，两步处理后剪切强度有明显提高，方阻回归正常，甲醛氢氧化钠蒸汽处理时间为30s时效果最好，可以有效去除氧等离子体表面活化产生的氧化银。