[发明专利]一种抗电化学迁移型纳米银复合焊膏材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种抗电化学迁移型纳米银复合焊膏材料的制备方法，属于焊接材料技术领域。本发明技术方案采用溶胶复合方案，将钯镍复合溶胶与银纳米颗粒进行有效复合，由于通过溶胶凝胶法，双金属纳米颗粒表面的Pd原子分散更加均匀，同时，由于纳米银很容易团聚，为了阻止纳米银的团聚，采用表面活性剂，以平躺的方式在银粒子表面形成胶束，作为一层位阻层，阻止纳米银的团聚长大，同时由于复合溶胶材料面带负电，而且银颗粒表面吸附的表面活性剂使纳米银表面带正电，表面活性剂对复合凝胶颗粒在纳米银表面的沉积起到定向作用，最终形成核壳结构的复合颗粒，使其不易团聚和分散，进一步改善材料的结构强度和分散性能。

技术领域

本发明涉及一种抗电化学迁移型纳米银复合焊膏材料的制备方法，属于焊接材料技术领域。

背景技术

将金属银用作封装连接材料的研究可以追溯到上世纪八十年代，将微米级的银颗粒和银片作为连接材料，并施加约40MPa的压力作为烧结驱动力，实现了芯片和基板在低温下的连接。上述低温连接技术的烧结机理是固相扩散而引发的致密化过程，由于烧结过程中需要借助外部压力作为烧结驱动力，因此属于压力辅助烧结。试验证明，采用压力辅助烧结技术，烧结温度最低可降至250℃，芯片和基板连接层的致密度可达到85%，而且连接接头具有良好的电、热和机械性能，其连接强度可达稳定的30MPa。然而，这种压力辅助烧结技术需要额外的工艺设备，成本高且操作复杂，而且施加过高的压力会造成芯片和基板的失效。因此，应采取措施适当减小甚至去除烧结时所需施加的压力。不少研究者通过减小银颗粒的尺寸到亚微米级并施加几兆帕的压力作为辅助的烧结驱动力，实现了芯片和基板之间的连接。到本世纪初，将银颗粒的粒径尺寸减小到纳米级别，并添加有机成分改善其粘性，制成了纳米银焊膏。它代替微米级别的银粉末和片状银作为新型连接材料，成功降低了烧结温度和所必需的辅助压力，甚至可以在无压的条件下，实现功率半导体器件与基板之间的连接。纳米银焊膏的烧结机理与微米级别的银粉末和片状银的烧结机理相似，都是通过固相扩散实现银连接层的致密化。不同的是，片状银的烧结过程需要施加外界压力作为烧结驱动力，而对于纳米银焊膏而言，纳米级别的银粒子具有较高的表面能，为烧结提供了驱动力，不再需要施加压力辅助烧结。然而，事物总有两面性，虽然纳米级别的银粒子为烧结提供了驱动力，但是其团聚以及颗粒间的聚合现象却是非常严重的。为了解决这一问题，通过添加表面活性剂（通常是脂肪酸族）、稀释剂（通常是低分子量的聚合物）等来阻止颗粒之间的团聚和聚合等现象的发生。

关于银的电化学迁移现象的首次发现是在实验室中，在电话交换机的镀银端子上发现的，他们认为该现象是由较高的电压和较高的环境湿度造成的。此外，研究工作者还对功率半导体封装中常用的金属进行了电化学迁移试验，结果表明，金属发生电化学迁移的敏感性由强到弱排序为：Ag、Pb、Cu、Zn。因此，银是最容易发生电化学迁移的金属之一。到目前为止，许多学者针对银的电化学迁移现象展开了大量的研究，例如银电化学迁移的影响因素、银的电学迁移机制（常温潮湿环境和高温干燥环境）以及改善银的电化学迁移行为的措施等。研究表明电极间直流电压，电极间距，环境温度以及绝缘基板材料等都是影响银电化学迁移的可能因素。

一直以来，Sn-Pb焊料以其良好的润湿性、焊接可靠性和稳定性等优点广泛应用在电子工业中。然而，Pb含有毒性，污染环境并严重影响人类和牲畜的生存质量。基于环境保护的要求，电子产品的无铅化也被提上了日程。随着欧盟通过电子电气设备指令和电子电气设备中禁止使用某些有害物质的指令，我国针对无铅化趋势的到来，也出台了《电子信息产业部污染防护管理办法》。电子工业呼吁采用绿色电子材料，电子产品必须要向无铅化转变，无铅化焊料的研究和开发已经迫在眉睫。以Sn为基体，加入Ag、Cu、Sb、In等金属的焊料合金是目前功率半导体器件封装中最常用到的无铅焊料。这其中SnAgCu和SnCu两类焊料的应用是最广泛的。SnAgCu焊料的共晶温度高于SnPb焊料，高温稳定性好，而且共晶形成的金属间化合物弥散分布在基体上，机械性能优良；缺点是润湿性相对SnPb焊料较差。SnCu焊料的优点是原料价格便宜；缺点是润湿性差，力学性能差。因此，与SnPb焊料对比，无铅焊料仍存在润湿性差、熔点高等主要问题。