阅读说明：本技术 一种低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的制备方法及烧结方法 (Preparation method and sintering method of low-temperature sintered indium-doped nano-silver sintering paste ) 是由 刘盼 张靖 叶怀宇 张国旗 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：一种低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的制备方法,包括：S1：配置纳米银溶液；S2：将纳米铟颗粒加入纳米银溶液,获得铟掺杂纳米银浆液,所述铟掺杂纳米银浆液内,铟占总质量比的范围为0.05％-2.5％；S3：采用混合器对铟掺杂纳米银浆液做均匀混合处理,获得铟掺杂纳米银烧结膏。本发明解决了现有的纳米银膏体烧结后裂纹较多,孔隙率较大,连接强度较低的的技术问题,有效提高银烧结膏热学,电学,力学性能可靠性。(A preparation method of indium-doped nano-silver sintering paste sintered at low temperature comprises the following steps: s1: preparing a nano silver solution; s2: adding nano indium particles into a nano silver solution to obtain indium-doped nano silver slurry, wherein the indium accounts for 0.05-2.5% of the total mass ratio in the indium-doped nano silver slurry; s3: and uniformly mixing the indium-doped nano silver slurry by adopting a mixer to obtain the indium-doped nano silver sintering paste. The invention solves the technical problems of more cracks, larger porosity and lower connection strength of the existing nano silver paste after sintering, and effectively improves the reliability of thermal, electrical and mechanical properties of the silver sintering paste.)

一种低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的制备方法及烧结方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片封装技术领域，更具体地，涉及一种用于电气互连的膏体

背景技术

功率电子器件已经被广泛的应用在现代社会的各个领域，包括电力电子，电动汽车，自动化系统及能源转换等。对于新型互连材料及先进封装的要求也不断提高。其中，高压高电流高温下的互连材料的稳定性对可靠性极为重要，互连材料如何实现高导电率、高导热率、高机械强度，以及实现低温烧结，成为急需解决的问题。

现有的银烧结技术，基于银与焊接塑形变形的扩散原理，利用银离子表面的自由能作为驱动力，由于电子迁移速率较快，烧结后容易产生裂纹，孔隙率较高，降低连接强度。

发明内容

为解决现有的纳米银膏体烧结后裂纹较多，孔隙率较大，连接强度较低的的技术问题，本发明提出一种低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的制备方法，包括：

S1：配置纳米银溶液；

S2：将纳米铟颗粒加入纳米银溶液，获得铟掺杂纳米银浆液，所述铟掺杂纳米银浆液内，铟占总质量比的范围为0.05％-2.5％；

S3：采用混合器对铟掺杂纳米银浆液做均匀混合处理，获得铟掺杂纳米银烧结膏；

所述混合器包括逆时针旋转的第一转动筒及顺时针旋转的第二转动筒，或，顺时针旋转的第一转动筒及逆时针旋转的第二转动筒；

所述均匀混合处理为，通过在第一转动筒外壁注入铟掺杂纳米银浆液，同时旋转所述第一转动筒及所述第二转动筒，剥离转动时从所述第一转动筒表面移至第二转动筒表面的贴覆物获得铟掺杂纳米银烧结膏。

优选的，纳米银颗粒粒径小于100nm，所述纳米铟颗粒粒径小于50nm。

优选的，所述S1包括：

S1.1：配置溶剂，所述溶剂包括分散剂，稀释剂及粘合剂；分散剂，稀释剂及粘合剂的质量分数比应为2:2:1；

S1.2：将纳米银颗粒加入溶剂中，采用螺旋振荡器进行机械振荡至少15分钟，采用超声清洗器进行超声震荡至少50分钟。

优选的，所述S2包括：将纳米铟颗粒加入纳米银溶液，采用螺旋振荡器进行机械振荡至少15分钟，采用超声清洗器进行超声震荡至少50分钟，获得铟掺杂纳米银浆液。

优选的，所述S1还包括：S1.3:采用混合器对超声清洗器进行超声震荡的纳米银溶液做均匀混合处理；

所述均匀混合处理为，通过在第一转动筒外壁注入纳米银溶液，同时旋转所述第一转动筒及所述第二转动筒，剥离转动时从所述第一转动筒表面移至第二转动筒表面的贴覆物获得纳米银溶液。

优选的，所述分散剂为松油醇，所述稀释剂为异丁醇，所述粘合剂为聚乙烯醇。

优选的，所述采用混合器对铟掺杂纳米银浆液做均匀混合处理温度范围为：70-150℃。

一种采用上述低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的制备方法制备的低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的烧结方法，包括：

S1：将铟掺杂纳米银烧结膏涂覆至基板上；

S2：将芯片贴合至涂覆的铟掺杂纳米银烧结膏上；

S3：控制压力及温度烧结所述基板，冷却获得烧结完成的连接器件。

优选的，所述S3中，尺寸大于10x10cm²的芯片的烧结压力为10-20MPa，持续1-2分钟，烧结温度为220-250℃，烧结温度阶梯上升，持续1-3小时。

优选的，所述S3中，尺寸小于2x2cm²的芯片不设置烧结压力，烧结温度为220-250℃，烧结温度阶梯上升，烧结时间为1-3小时。

本发明通过通过在纳米银膏体内无团聚的分散添加纳米铟颗粒，可有效提高银烧结膏热学，电学，力学性能可靠性，可应用于高温环境，降低银烧结膏的银迁移速率并提高连接强度，从而达到降低因银迁移产生的裂纹萌生，提高连接强度的技术效果。采用本发明提供的铟掺杂纳米银膏体烧结连接时，烧结温度低于传统银烧结膏，工艺程序对于小尺寸芯片无需加压，无需惰性气体保护。

附图说明

图1为实施例一提供制备低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的混合器示意图

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。

实施例一

本实施例提供一种低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的制备方法，如图1所示。

步骤1：溶剂制备。溶剂包括松油醇(分散剂)，异丁醇(稀释剂)和粘合剂(聚乙烯醇)。分散剂，稀释剂和粘合剂的质量分数比应为2:2:1。

步骤2：制备纳米银浆。将纳米银颗粒加入溶剂中。先利用螺旋振荡器进行机械振荡(～800rpm/min)20分钟，然后用超声清洗器进行超声震荡(～1h，震荡功率为～150W)，最后通过一种如图1所示的混合器混合，并控制混合温度在70-150℃之间。

步骤3：加入纳米铟颗粒。将上述纳米银浆加入纳米铟颗粒中。在重复螺旋震荡，超声震荡和特殊混合器控温混合。螺旋振荡器进行机械振荡(～800rpm/min)20分钟，然后用超声清洗器进行超声震荡(～1h，震荡功率为～150W)，最后通过一种如图1所示的混合器混合，并控制混合温度在70-150℃之间。铟掺杂纳米银浆液内，铟占总质量比的范围为0.05％-2.5％，最优为1.2％。

如图1所示的混合器包括进料口1，第一圆筒2及第二圆筒3，两个圆筒可以同时旋转并同时进行温度控制。圆桶之间的距离通过控制面板调控在20nm-20000nm之间。混合纳米银浆时，从第一圆筒上部的进料口放入混合银浆，由于银浆的粘稠性，银浆通过圆筒表面带到右边圆筒。在右边圆筒旋转两圈以后可以通过刮刀将银浆从右边圆筒上轻轻刮下。同理，采用上述方法混合加入纳米铟颗粒的银浆，获得铟掺杂纳米银烧结膏。

本实施例采用的最佳配方的质量分数的组分是：纳米银颗粒78.2％，纳米铟颗粒1.8％，溶剂20％。

纳米银烧结膏将银纳米颗粒与铟颗粒(纳米级<50nm)混合，降低纳米银烧结膏的烧结温度。因为铟的导电性能Electrical resistivity 83.7nΩ·m(at20℃)比银的导电性能略差Electrical resistivity 15.87nΩ·m(at 20℃)，控制铟占总质量比应该在0.05％-2.5％左右，当质量控制在1.2％左右时可获得最佳的导电及连接强度性能的平衡。

纳米级的铟颗粒可以在烧结过程中为纳米银离子提供形核核心细化晶粒，从而提高基体强度。液相烧结工艺，让银和铟混合后，烧结温度达到铟熔点时，低熔点的铟融化。此时液相铟和固态银的相互扩散加快，液态的铟扩散到银基体中，产生毛细作用力，发生银原子重排和致密化。等温度凝固过程后，银铟相互扩散形成稳定的金属间化合物。这个过程由于发生了细晶强化，固溶强化及形成了第二相粒子，提高银基体的连接强度。

实施例二

本实施例提供一种低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的烧结方法。

步骤1：混合银铟颗粒，制备烧结膏。

步骤2：将烧结膏涂覆在基板上，厚度控制在30um左右。

步骤3：芯片贴合。

步骤4：对于大尺寸芯片进行有压烧结，压力控制在10-20MPa，时间在1-2分钟左右，温度控制在220-250℃，最佳温度在240℃左右，且控制温度阶梯上升，优选的，在160度，180度，220-250度分阶段升温；对于小尺寸芯片进行无需加压的烧结，且无需惰性气体保护，烧结温度同样控制在220-250℃，最佳温度在240℃左右，烧结时间应控制在1-3小时。

由于银铟颗粒被有机溶剂包覆，需要在不同温度采用控温让二者有效扩散，形成有效烧结结构，因此低温烧结工艺需要进行客制化。

步骤4：冷却，完成烧结。

通过对250度下烧结的10by 10cm2硅基覆银芯片进行剪切测试，采用剪切力测试仪，当铟掺杂量达到1.8wt％的时候，连接强度可以达到35MPa。

本实施例提供的低温烧结的铟纳米银烧结膏制备方法，工艺程序严密，烧结温度低于传统银烧结膏，工艺程序对于小尺寸芯片无需加压，无需惰性气体保护。对于大尺寸芯片仍需加压，但烧结温度较低，连接强度较强。

综上，本发明提供的低温烧结的铟掺杂纳米银烧结膏的制备方法及烧结方法，可以获得以下技术效果：

(1)通过添加铟纳米粒子，银迁移速率降低，降低银迁移产生的裂纹，并提高连接强度；

(2)提高银烧结膏的热学，电学，力学性能可靠性；

(3)降低连接的烧结温度，小尺寸芯片无需加压，无需惰性气体保护实现可靠连接。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。