纳米银浆在三维集成领域的应用


  纳米技术对现代科技的推动显示出了巨大的成效。在半导体制造领域内,纳米技术使得摩尔定律得以延续。HP实验室量子研究所负责人斯坦利指出,“纳米技术具有长期的潜力,即使把微电子、塑料和钢铁加在一起,纳米技术也能让它们相形见绌”。

  在纳米技术领域,纳米CMOS器件、碳纳米管、纳米晶体LED、纳米草、纳米开关、纳米超导晶体管、纳米硅胶等纳米器件、纳米材料先后被日本、 美国、欧盟等研究机构开发出来。基于纳米技术的各种产品逐渐在市场上亮相。

silver paste.jpg

  随着纳米器件的出现,微电子封装逐渐走向纳电子封装。美国乔治亚封装研究中心的Tummala教授明确提出微系统封装已经从毫米级、微米级走到纳米级。随着微系统技术的发展,高互联密度的需求大大增加,新型纳米材料将在微系统集成领域发挥关键作用。这些纳米材料主要解决微型器件的馈电和射频互联,如图1所示的纳米铜 。

  2.纳米银性能简介

  微系统的性能、集成工艺、应用及发展等决定于构成微系统的各类材料,这类材料包括半导体材料、封装基板材料、绝缘材料、导体材料、键合连接材料、封装材料等。运用纳米科技对微系统产品所用的材料进行改进,无疑会改善微系统的性能。微系统集成技术的进步与微系统封装材料的发展是紧密相关的。

  材料科学实验证明,当材料颗粒达到纳米级时,其具有很高的表面活性和表面能,这使得纳米颗粒的熔点或者说烧结温度远低于块体材料。但其烧结后形成的材料具有和块体材料相似的熔点和性能。这就使其在微系统集成领域具有很广阔的应用前景。

  因金属银具有很高的热导率、良好的导电性、抗腐蚀性及抗蠕变性能,且在服役过程中不存在固态老化现象。特别适合作为大功率产品的组装材料。使得在众多的纳米材料中,纳米银成为研究比较热门的封装材料。

  纳米银的主要特性之一就是低温烧结,高温服役。其烧结温度可低至150℃,甚至室温,再次熔化温度理论上可达到960℃。这种特性对于复杂微系统产品集成具有明显优势,特别是在多级组装时,不再受温度梯度的影响。可以说对微系统产品的集成工艺发展具有跨时代的意义。

  3.纳米银在三维集成领域研究进展

  从上个世纪80年代开始,纳米银已经被诸多学者及机构研究。在电子封装领域,纳米银的应用研究稍晚。

  SEMIKRON公司采用纳米银烧结技术代替传统的Bongding技术制作出了IGBT模块。使用纳米银浆烧结技术后,不但组件的散热问题,同时使组件的可装性和可靠性大幅度提高。

  在电子封装领域,纳米银浆最先被应用在大功率封装领域。Guo-Quan Lu等人采用30nm-50nm的纳米银浆在275℃无压状态下获得了良好的烧结接头。接头的致密度可达80%,剪切强度达到20MPa。烧结层的热传导率是普通共晶焊料的5 倍以上,这种由纳米Ag 烧结层构成互连层的芯片基板互连技术是一种潜在的适合宽禁带半导体器件(SiC或GaN)的技术。此外接头还可承受300℃下,400小时的温度存储试验。

  日本バソド化学公司2003年开发成功一种纳米银浆(粒径数10nm),这种银浆适用于树脂系印刷电路板,可低温烧成并保持低的电阻率,作为印刷电路板的微细电路构成将获得实际应用。银的熔点为961℃,而这种银浆的熔点仅有100~150℃,可以用于各式各样的印刷电路板贴装。

  Bai John G等人将含30 nm 纳米银粉的焊膏加热到280℃,其密度可以达到全密度的80%。该烧结的多孔银粉焊膏的热传导率240W/(K·m),电导率约为3.8×105S/cm,弹性模量为约9 GPa,拉伸强度为43 MPa。这种材料的物理性能远远优于普通钎料合金材料的性能,更适合应用于高可靠性领域。

  Daisuke Wakuda, Keun-Soo Kim等人通过化学方法制备出纳米银,其平均直径不到10nm如图8所示。然后在其中加入少量烷基胺制备出纳米银浆。这种纳米银浆可在室温下烧结,烧结时间在30min内,提高烧结温度可加速烧结过程并进一步降低接头的电阻率。23℃烧结接头的电阻率低至4.9×10-6Ωm,150℃烧结接头(图9所示)的电阻率可低至3.2×10-7Ωm。接头的剪切强度可达8MPa。美中不足的是接头在烧结时需要大约1MPa的压力。在一定程度上限制了其应用边界。

  以上内容来源于网络