徐 達，常青松，楊彥峰

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高熱導率納米銀膠的可靠性研究

徐 達，常青松，楊彥峰

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

對無壓力低溫固化納米銀膠的連接強度、導熱性和導電性及其可靠性進行了研究，并與Au80Sn20焊料及普通導電膠進行對比。結果表明：納米銀膠連接強度高，平均剪切強度可達28 MPa；導熱性能優(yōu)異，連接層熱阻接近Au80Sn20焊料層熱阻；在嚴酷的熱應力和機械應力試驗后，其連接強度、導熱性和導電性保持穩(wěn)定，沒有退化現(xiàn)象產生。因此，無壓力低溫固化的納米銀膠作為高功率器件連接材料具備較高的可靠性。

導電膠；納米銀膠；剪切強度；熱導率；可靠性；大功率

隨著通訊、LED和電力電子等行業(yè)的快速發(fā)展，電子器件功耗越來越大，導致芯片工作結溫不斷提高，嚴重影響電子器件性能和服役壽命[1]。作為一級封裝，芯片連接層是熱量由芯片傳輸?shù)交宓谋亟浡窂?，因此連接層材料是影響大功率芯片散熱能力及可靠性的主要因素[2]。當前，大功率場合應用的一級封裝連接材料主要是錫基焊料、高鉛焊料和金錫焊料。錫基焊料由于接頭中含錫量高，金屬間化合物在高溫下會持續(xù)生成或演化，因此不適于高溫環(huán)境工作，連接界面一般長期工作溫度不超過150℃[3]。高鉛焊料較為穩(wěn)定，但限于環(huán)保問題，使用受到限制。金錫焊料從性能和可靠性來講是較理想的連接材料，但缺點是成本高。納米銀膠的出現(xiàn)為解決上述問題提供了新的技術途徑，其顯著特點是熱導率高（顯著高于所有焊料），較低溫度固化，能在高溫環(huán)境工作，裝配工藝簡化[4]。對于納米銀膠的配制、微觀表征已有學者進行了大量研究[5-8]，但對于其可靠性方面研究不多，特別是針對無壓力低溫固化納米銀膠的性能以及與常用Au80Sn20焊料和普通導電膠的比較研究還未見報道。

本文針對新型無壓力低溫固化納米銀膠的粘接強度、導熱性和導電性的可靠性進行了深入研究，并與常規(guī)Au80Sn20焊料及普通導電膠進行了對比分析，為納米銀膠的推廣應用奠定基礎。

1 實驗

1.1 試驗材料

本文采用的AlN薄膜電阻元件（2mm×2 mm×0.381 mm）和GaN功率放大器芯片（5 mm×0.8 mm×0.1 mm）作為實驗對象。前者用于剪切強度和連接材料導熱性能評價，后者則用于連接界面導電和導熱性能在環(huán)境試驗前后變化評估。本實驗采用的高導熱納米銀膠含銀質量分數(shù)為91%，內部同時含有納米級和微米級銀顆粒。高溫固化后，在連接界面可形成連續(xù)近似塊體的導電網絡結構。為與其他連接材料對比，同時采用Au80Sn20焊料和普通導電銀膠進行對照實驗。三種連接材料的主要性能如表1所示。

表1 連接材料性能參數(shù)

Tab.1 Performance parameters of jointing material

1.2 樣品制備

為驗證納米銀膠在高可靠等級應用的可行性，樣品均封裝于金屬盒體中，如圖1所示。對于AlN薄膜電阻元件，首先用連接材料裝配鉬銅載體，然后與鉬銅載體一起用Sn96.5Ag3.5焊料焊接于金屬盒體中。對于GaN功率放大器芯片則用連接材料直接裝配于以鉬銅為底部材料的金屬盒體中。

(a)樣品1

(b)樣品2

圖1 不同樣品的結構示意圖

Fig.1 Schematic diagrams of the different samples

1.3 試驗

為研究高導熱納米銀膠粘接界面的長期可靠性，進行了下列試驗，并與Au80Sn20和普通導電膠材料試驗組進行比較分析。

1）穩(wěn)定性烘焙：125℃，168 h。

2）溫度循環(huán)：–65~+150℃，100次，保持30 min，轉換時間小于1 min。

3）恒定加速度，方向（高度方向），5 000 g，1 min。

采用Dage4000芯片剪切力機進行連接剪切強度測試，采用QFI熱紅外成像儀測量器件表面溫度以比較連接材料導熱性能及變化情況。

2 結果與分析

2.1 剪切強度

AlN薄膜電阻分別采用普通導電膠、Au80Sn20和納米銀膠作為連接材料組裝于鉬銅金屬載體，以剪切強度作為連接強度的評價指標?？煽啃栽囼炃昂蠹羟袕姸鹊膶Ρ热鐖D2所示。本文采用的普通導電膠屬連接強度較高的類型，納米導電銀膠的初始剪切強度與之相當。在較為嚴酷的環(huán)境試驗后，普通導電膠和Au80Sn20焊料樣品剪切強度均略有下降，這可能是連接界面（元件與連接材料界面或者連接材料與鉬銅載體界面）產生了微小的裂紋或分層所致；而納米銀膠的剪切強度則幾乎沒有改變。普通導電膠與貴金屬鍍層的界面連接機理復雜，汲及分子力、靜電力等多種復雜作用力，但沒有新的界面化合物生成，因此界面強度一般低于Au80Sn20焊料連接界面，因為后者反應生成了金屬間化合物，大幅度提供了連接強度，但金屬間化合物會在高溫環(huán)境下繼續(xù)生長變厚反而使連接強度弱化。而納米銀膠中由于存在大量納米級的銀顆粒，比表面積的增加使得其可以在較低溫度下實現(xiàn)銀粒子之間的燒結，從而形成塊體導電導熱網絡。對于待連接的銀、金鍍層的界面，由于具有相同或相近的化學性質和晶格參數(shù)，可以在原子之間建立強化學鍵，形成牢固連接。表現(xiàn)在一經固化，可在高于固化溫度以上或較強熱應力作用下仍能保持連接強度穩(wěn)定。

圖2 可靠性試驗前后剪切強度對比

2.2 導熱性能

圖3為普通導電膠、Au80Sn20和納米銀膠導熱能力比較。普通導電膠熱導率很低，芯片結溫明顯高于后兩者，相差達到40 ℃左右。采用Au80Sn20和納米銀膠連接的芯片結溫接近，相差不超過2 ℃，并在可靠性試驗前后均保持穩(wěn)定。在本文中可靠性驗證條件下，納米銀膠導熱能力與Au80Sn20焊料接近。對于更多次數(shù)的溫度循環(huán)試驗，美國CREE公司的研究報告指出，在1 000次–55~+125 ℃溫度循環(huán)試驗后，Au80Sn20焊料連接界面出現(xiàn)明顯分層，而納米銀膠的界面則沒有發(fā)生退化。

圖3 芯片最高溫度在可靠性試驗前后對比

2.3 納米銀膠連接層的電性能穩(wěn)定性

圖4是采用納米銀膠裝配的射頻功率放大器在可靠性試驗前后的性能對比，其輸出功率和附加效率前后基本保持穩(wěn)定。由于射頻輸出功率和附加效率與界面接觸電阻和接觸熱阻有明顯關系，輸出功率和附加效率的穩(wěn)定意味著納米銀膠連接層及其界面導電性和導熱性的穩(wěn)定。因此，進一步驗證了納米銀膠連接界面的良好的可靠性。

圖4 射頻功率放大器性能在可靠性試驗前后對比

3 結論

本文對無壓力低溫固化納米銀膠的連接強度、導熱性和導電性及其可靠性進行了研究，并與Au80Sn20焊料及普通導電膠進行對比分析。試驗結果表明，納米銀膠膠粘元件的平均剪切強度可達28 MPa；粘接層的導熱效果接近于Au80Sn20焊料；在125 ℃下烘烤168 h，100次溫度循環(huán)(–65~+150 ℃)及z向恒定加速度試驗后，各項性能保持穩(wěn)定，沒有分層、接觸電阻等粘接退化現(xiàn)象產生。因此，無壓力低溫燒結納米銀膠作為高功率器件的粘接材料具備較高的可靠性。

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（編輯：陳渝生）

Reliability of nano-silver adhesive with high thermal conductivity

XU Da, CHANG Qingsong, YANG Yanfeng

(The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)

The joining strength, thermal conduction, electric conductivity and long-term reliability of nano-silver adhesive cured under low temperature without pressure were studied, and then compared with Au80Sn20 binder and normal silver adhesive. The results indicate that the nano-silver adhesive has high joining strength, with an average shear strength of about 28 MPa, excellent thermal conduction, and its thermal resistance is close to that of Au80Sn20. The high thermal conduction and joining strength are not degenerated even after serious thermal and mechanical stress experiments. Therefore, the nano-silver adhesive cured under low temperature without pressure has high reliability as joining layer of high power device.

adhesive; nano-silver adhesive; shear strength; thermal conductivity; reliability; high power

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.017

TM241

A

1001-2028（2017）02-0082-03

2016-12-09

徐達

徐達（1982－），男，黑龍江海倫人，工程師，主要從事微組裝工藝與可靠性研究，E-mail: 13582125021@163.com。

網絡出版時間：2017-02-14 15:13:56

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.017.html