一种低空洞率烧结银胶及其烧结方法与流程

本发明属于电子封装材料，具体涉及一种低空洞率烧结银胶及其烧结方法。

背景技术：

1、烧结银胶作为一种新型的芯片连接材料，具有高导热、高导电、高可靠性和低温烧结的优点，被广泛应用于功率半导体器件的芯片贴装。

2、烧结银胶主要由银颗粒和有机载体（包括树脂、溶剂、分散剂等）组成，在实际烧结过程中，由于有机载体的剧烈挥发与分解，以及银颗粒在烧结颈形成过程中留下的孔隙，极易在最终的银烧结层内部形成大量空洞。

3、银烧结层的空洞会带来一系列严重问题：显著降低银烧结层的有效导热面积和热导率，导致器件散热性能下降；减少电流导通的有效截面积，增加局部电流密度；大幅降低烧结体机械连接强度，特别是抗剪切和抗拉强度，影响器件在热循环中的长期可靠性。

4、为降低银烧结层的空洞率，目前，行业内的方法主要有：优化银粉的形貌和复配比例，例如采用片状银粉与纳米球形银粉复配，改善堆积密度；优化烧结工艺，例如采用两步或多步烧结温度曲线、施加辅助压力（压力烧结）或改变烧结气氛（还原气氛或惰性气氛）；优化有机载体配方，例如采用低沸点溶剂。这些方法均有其局限性，难以将空洞率降低至5%以内：银粉形貌对空洞率的改善有限；复杂的烧结工艺或气氛会增加设备成本和工艺难度；简单地降低有机组分的分解温度可能导致银颗粒尚未形成稳定骨架有机载体就集中、剧烈挥发，反而使更多气体被包裹。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低空洞率烧结银胶及其烧结方法。本发明提供的烧结银胶可以降低银烧结层的空洞率。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种低空洞率烧结银胶，包括银颗粒和有机载体，所述银颗粒与有机载体的质量比为(80~92):(8~20)；所述有机载体包括溶剂和空洞抑制树脂，所述有机载体中空洞抑制树脂的质量含量为20~50%；所述空洞抑制树脂的热失重过程包括第一分解阶段和第二分解阶段；所述第一分解阶段的起始温度为100~230℃，终止温度为150~250℃，失重率为30~60%；所述第二分解阶段的起始温度为300~450℃。

4、优选地，所述空洞抑制树脂包括改性醛基树脂、改性丙烯酸树脂、改性纤维素树脂和改性双马来酰亚胺树脂中的一种或多种；所述改性醛基树脂、改性丙烯酸树脂、改性纤维素树脂和改性双马来酰亚胺树脂的改性剂为含有热不稳定链段的化合物，所述热不稳定链段的起始分解温度为100~230℃。

5、优选地，所述热不稳定链段包括聚碳酸酯链段、聚氨酯链段、聚酯链段、聚醚链段、环氧链段和碳-金属键中的一种或多种。

6、优选地，所述含有热不稳定链段的化合物包括聚乳酸、聚己内酯和有机金属盐中的一种或多种。

7、优选地，所述银颗粒包括片状银粉和球状银粉。

8、优选地，所述片状银粉和球状银粉的质量比为(2~5):1。

9、优选地，所述溶剂为高沸点、低挥发速率的有机溶剂；所述溶剂的沸点为200~400℃，相对于乙酸正丁酯的挥发速率为0.001~0.3。

10、优选地，所述溶剂为酯类溶剂，所述酯类溶剂包括乙酰丙酸丁酯、己酸二丁酯、丁酸异辛酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸异丙酯和邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。

11、优选地，所述有机载体中还包括分散剂和触变剂。

12、本发明还提供了上述技术方案所述低空洞率烧结银胶的烧结方法，包括：将低空洞率烧结银胶施加在基板上，然后粘贴芯片进行烧结；所述烧结的温度为150~300℃，且低于所述空洞抑制树脂热失重过程中第二分解阶段的起始温度。

13、本发明提供了一种低空洞率烧结银胶，包括银颗粒和有机载体，所述银颗粒与有机载体的质量比为(80~92):(8~20)；所述有机载体包括溶剂和空洞抑制树脂，所述有机载体中空洞抑制树脂的质量含量为20~50%；所述空洞抑制树脂的热失重过程包括第一分解阶段和第二分解阶段；所述第一分解阶段的起始温度为100~230℃，终止温度为150~250℃，失重率为30~60%；所述第二分解阶段的起始温度为300~450℃。本发明使用热失重过程有两个分解阶段的树脂和有机溶剂作为有机载体，在烧结温度达到第一分解阶段起始温度时，溶剂大量挥发，树脂发生部分分解，产生少量气体，此时银颗粒尚未大规模烧结，浆料内部的孔隙网络相对畅通，气体能够从容、有序地逸出，避免局部高压气泡的形成，而树脂剩余部分仍起到粘结和支撑作用，维持银颗粒的骨架结构；通过限定空洞抑制树脂第一分解阶段的温度及失重率，使其在固化或成型的关键温度阶段产生可控的、适度的体积补偿与应力释放效应，从而有效抵消因聚合交联或溶剂挥发产生的体积收缩，从机理上抑制内部空洞的生成；随着烧结温度的升高，银颗粒开始表面扩散，形成初步的烧结颈，机械强度逐渐增强，为最终致密化做好准备；在最终烧结温度下（低于第二分解阶段的起始温度），剩余的树脂完成固化，由于前期已排出大部分气体，此阶段产气量减少，而且此时银原子体扩散被充分激活，银颗粒迅速烧结致密化，致密化的速度能够“追上”甚至超过残余气体产生和膨胀的速度，从而将可能残留的微小气泡通过晶界扩散或挤压的方式排出，最终获得高度致密的银烧结层；通过控制银颗粒与有机载体的质量比，保证银胶的均一性；通过控制空洞抑制树脂的用量，在降低空洞率的基础上保证对银颗粒的粘结和支撑。实施例的结果显示，本发明提供的烧结银胶烧结后空洞率低于4%。

1.一种低空洞率烧结银胶，包括银颗粒和有机载体，所述银颗粒与有机载体的质量比为(80~92):(8~20)；所述有机载体包括溶剂和空洞抑制树脂，所述有机载体中空洞抑制树脂的质量含量为20~50%；所述空洞抑制树脂的热失重过程包括第一分解阶段和第二分解阶段；所述第一分解阶段的起始温度为100~230℃，终止温度为150~250℃，失重率为30~60%；所述第二分解阶段的起始温度为300~450℃。

2.根据权利要求1所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述空洞抑制树脂包括改性醛基树脂、改性丙烯酸树脂、改性纤维素树脂和改性双马来酰亚胺树脂中的一种或多种；所述改性醛基树脂、改性丙烯酸树脂、改性纤维素树脂和改性双马来酰亚胺树脂的改性剂为含有热不稳定链段的化合物，所述热不稳定链段的起始分解温度为100~230℃。

3.根据权利要求2所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述热不稳定链段包括聚碳酸酯链段、聚氨酯链段、聚酯链段、聚醚链段、环氧链段和碳-金属键中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述含有热不稳定链段的化合物包括聚己内酯、聚乳酸和有机金属盐中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述银颗粒包括片状银粉和球状银粉。

6.根据权利要求5所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述片状银粉和球状银粉的质量比为(2~5):1。

7.根据权利要求1所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述溶剂为高沸点、低挥发速率的有机溶剂；所述溶剂的沸点为200~400℃，相对于乙酸正丁酯的挥发速率为0.001~0.3。

8.根据权利要求7所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述溶剂为酯类溶剂，所述酯类溶剂包括乙酰丙酸丁酯、己酸二丁酯、丁酸异辛酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸异丙酯和邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的低空洞率烧结银胶，其特征在于，所述有机载体中还包括分散剂和触变剂。

10.权利要求1~9任意一项所述低空洞率烧结银胶的烧结方法，其特征在于，包括：将低空洞率烧结银胶施加在基板上，然后粘贴芯片进行烧结；所述烧结的温度为150~300℃，且低于所述空洞抑制树脂热失重过程中第二分解阶段的起始温度。