低温焊接高温服役的银烧结

1、什么是银烧结？

银烧结技术也被称为低温连接技术，是指采用微米甚至纳米级的银颗粒（银浆、银膜和银粉）通过烧结进行材料连接的技术，是碳化硅模块中的关键封装技术。

2、银烧结的优势？应用方向？

    传统钎焊料熔点一般低于300 ℃，芯片钎焊连接界面在-40~125 ℃的温度冲击条件下，经过约400次循环之后焊层普遍会出现退化现象，器件可靠性会受到影响。

    低温银烧结技术优势包括：

    ①  连接层主要成分为银，导电和导热性能优异；

    ②  低温连接（180℃）高温服役，熔点高达961 ℃，具有较高的可靠性；

    ③  是其他焊膏使用寿命的5-10倍；

3、银烧结的过程？

烧结工艺过程大致分为2 个步骤：

    ①  对银膜进行预处理，仅余极少量包覆层和纳米银颗粒，为了防止团聚使用有机物将银颗粒隔离，颗粒之间空隙很大，结构松散。

    ②通过加温加压，使得纳米银颗粒之间、纳米银颗粒和烧结界面之间互相接触，并发生固相反应。具体过程为固体银颗粒间形成烧结颈，通过银原子的扩散迁移，银颗粒逐步长大，空隙渐趋减少，连接层总体积收缩，密度增加，最后成为致密的多孔烧结体。

4、纳米银焊料

纳米银是指颗粒尺寸在1~100nm之间的单质银，由于尺寸效应，纳米银的熔点和烧结温度远低于块状银，在室温下即具有较高的表面活性和表面能。

为了使纳米银颗粒可以像常规焊锡膏一样印刷或者点涂，通常需要向纳米银颗粒中添加表面活性剂、粘结剂和稀释剂。纳米银焊膏中纳米银颗粒的质量分数一般为80%～90%，银颗粒直径为30 nm 的焊膏烧结之前和烧结之后的显微组织如图所示。

经过280 ℃烧结后，单个分散的纳米银颗粒消失，形成了均匀的、有较高致密度的、具有类似块状银性质的烧结体，纳米银烧结材料具有更高的熔点、热导率和电导率，是实现大功率模块封装的理想连接材料之一。

5、银烧结的关键技术？

1、烧结温度

纳米银焊膏烧结体的致密度和烧结颈均随着烧结温度的提高而增强，晶粒的尺寸也明显增大，纳米银与铜基体的界面层厚度增加，界面处可能会氧化。焊接接头的剪切强度与烧结温度之间均呈现正相关的趋势，即剪切强度随着烧结温度的提高而增强。

2、烧结压力

适当的烧结压力对接头力学性能的提高主要表现在以下几个方面: 一是增强纳米银焊膏与基板之间的接触，促进焊膏中的银原子与基板中铜原子的相互扩散; 二是额外施加的压力有助于接头界面处银颗粒的重排，提高界面处的颗粒填充密度，从而降低接头组织的孔隙率。但是，过高的烧结压力除了可能会损坏芯片外，过于致密的界面接触。

有可能抑制焊膏中有机物的分解，从而降低烧结效率，增加接头内部有机物的残留。额外施加的压力不利于在规模化生产中利用已有的焊接炉设备，且过大的压力不利于简化封装工艺以及提高封装过程的自动化。分研究者尝试在无压力条件下进行纳米银焊的烧结

3、烧结气氛

纳米银焊膏的烧结过程只有在纳米颗粒表面的有机物包覆层分解后才能进行，因此烧结气氛中存在一定含量的氧是必须的，烧结过程中氧含量太低将无法使焊膏中的有机物完全分解挥发，影响焊接接头的致密性。但烧结气氛中过高的氧含量将会导致铜基材表面生成铜的氧化物( CuOx，x = 1 或者2)］，如图所示，接头界面脆性增强，在应力作用下容易成为裂纹源，从而降低接头的力学性能。

通过控制纳米银焊膏固化阶段的氧含量，并利用甲酸减少陶瓷衬板表面铜的氧化，实现了IGBT功率模块芯片与陶瓷衬板在无烧结压力、衬板表面无镀层条件下的可靠连接，剪切强度达到25MPa。

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