低温烧结纳米银浆组织及性能表现


  电子互连焊点作为电子器件中起信号传递、散热通道、机械支撑以及环境保护等多方面作用的关键部位,对整个电子电路和器件设备的性能有着非常重要的影响。电子互连材料的发展方向除了钎料、导热胶和导电胶等高分子材料,最具有前景的就是低温连接材料,而纳米银浆作为低温连接材料因具有较好的性能而被广泛研究。

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如何降低纳米银浆的烧结温度、减少烧结裂纹并提高烧结体的致密性和热导率成为目前纳米银浆研究的重要内容。本文提出了混合纳米银浆的概念,采用水基化学还原法用二水合柠檬酸钠和硝酸银制备出直径在80nm左右的大尺寸纳米银浆,用二水合柠檬酸钠和七水合硫酸亚铁的混合溶液还原出粒径在20nm左右的小尺寸纳米银浆,并将大小尺寸的纳米银颗粒以1:9的比例均匀混合制得混合尺寸的纳米银浆。此混合银浆能够在150℃空气气氛下无压烧结。

实验对混合纳米银浆的成分进行了分析,发现混合银浆的分散剂主要来源于小尺寸纳米银配方,这些分散剂在150℃开始分解,但是在400℃仍没有分解完全;对混合纳米银浆混合前后、烧结前后组织形貌的观察发现混合银浆中小尺寸纳米银颗粒包围大尺寸纳米银颗粒而分布,随着加热温度升高,颗粒逐渐形成烧结颈并粗化长大,当加热到230℃时,由于发生原子扩散重排,烧结组织从松枝状结构向3D网络状结构转变,组织明显致密化。而对烧结银浆块体的性能研究发现,随烧结温度升高,烧结体密度和硬度逐渐增大,尤其在分散剂的分解温度和原子扩散重排温度区间,增大的趋势更加明显;与此同时,烧结温度越高,烧结银浆块体的热导率也跟着增大,280℃烧结银浆的热导率已达到144W/(m·K);热膨胀行为分析也指出150℃、200℃、250℃三个温度烧结的银浆在加热到100℃以上时热膨胀系数都接近于银浆块体的热膨胀系数值,且高于230℃烧结的银浆块体因烧结过程引起的收缩对热膨胀行为影响较小,所以呈现出稳定的状态。