納米銀漿低溫快速燒結(jié)機理及其接頭性能研究.pdf

1、隨著電子封裝系統(tǒng)的功率密度日益增大，散熱成為影響封裝系統(tǒng)可靠性和使用壽命的重要因素。納米銀漿由于可實現(xiàn)低溫燒結(jié)形成可高溫服役的互連接頭且該接頭具有優(yōu)異的導熱性能而受到廣泛的研究。但是，納米銀漿的應用仍然被其過長的燒結(jié)時間（20-30min）、較高的燒結(jié)溫度（>250℃）以及燒結(jié)壓力的施加所限制。在燒結(jié)機理研究方面，對于作為納米銀漿中重要組成部分的有機包覆層的行為與納米銀顆粒的燒結(jié)過程往往獨立起來進行單獨的討論與分析，這與實際情況不符。另

2、外，截至目前，納米銀漿低溫燒結(jié)形成可高溫服役互連接頭的特性尚未被驗證。本文針對以往研究的不足，對有機包覆層影響下納米銀顆粒的燒結(jié)過程進行了研究，揭示了有機物在燒結(jié)過程中的分解變化行為，并分析了其對燒結(jié)試樣微觀組織和物理性能的影響。通過優(yōu)化有機包覆層的含量，提高了納米銀漿燒結(jié)試樣的熱導率，改善了互連工藝性。同時，對納米銀漿低溫燒結(jié)試樣的高溫穩(wěn)定性進行了研究。
　　本文通過化學還原的方法制備了水基的納米銀漿，由于沒有加入額外的有機聚合

3、物使得燒結(jié)溫度顯著下降，在低溫情況下實現(xiàn)了無壓燒結(jié)。燒結(jié)的微觀組織呈現(xiàn)由二維鏈狀組織組成的松塔狀形貌。在此基礎上，通過使用不同種類及濃度參數(shù)的絮凝劑對有機包覆層的含量進行了控制，實現(xiàn)了納米銀顆粒不發(fā)生預先團聚的前提下降低有機包覆層含量。有機包覆層含量減少后的納米銀顆粒在燒結(jié)過程中由于與其它納米銀顆粒的接觸面增多而呈現(xiàn)三維生長方式，形成網(wǎng)絡狀的燒結(jié)組織。通過 TEM觀察，在這種燒結(jié)組織內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了大量的孿晶，由于孿晶界對電子的散射效應十分有

4、限，其散射能力不到普通大角度晶界的十分之一，加上貫穿晶粒的孿晶可以在大角度晶界處引入原子排列較為規(guī)則的低Σ重位點陣晶界，使燒結(jié)組織具有很低的熱阻。這種材料克服了具有納米晶粒尺寸的金屬由于晶界散射效應，其熱導率顯著下降的本征缺陷。獲得的納米銀漿燒結(jié)試樣熱導率高達229W/m·K。通過優(yōu)化有機包覆層的含量，在150-200℃的燒結(jié)溫度下，實現(xiàn)了納米銀漿快速無壓低溫燒結(jié)互連工藝，燒結(jié)時間縮短至30-120s，互連接頭剪切強度達到16-34MP

5、a。
　　通過測量納米銀漿燒結(jié)試樣隨溫度上升的尺寸變化情況，分析研究了納米銀漿作為互連接頭材料的高溫服役可靠性。結(jié)果顯示，由于在燒結(jié)組織內(nèi)部均勻分布著納米或亞微米級的孔洞，使得燒結(jié)納米銀漿的熱膨脹系數(shù)在30℃到150℃范圍內(nèi)略低于塊體銀的熱膨脹系數(shù)。這種孔洞的存在有助于應力的釋放與緩沖。當測試溫度超過試樣的燒結(jié)溫度后，試樣尺寸開始發(fā)生收縮，原因是低溫燒結(jié)后，其微觀組織沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)，隨著溫度的升高，燒結(jié)驅(qū)動力增加，微觀組織會繼續(xù)