本發明涉及電子封裝制備領域，具體涉及一種低溫燒結的錫摻雜納米銀焊膏的制備方法。

背景技術：

納米銀焊膏由于能夠實現低溫燒結，且燒結完成后為單質銀層多孔材料，具有優良的熱學、電學、力學性能和可靠性，以及可以應用于高溫環境，而成為一種高功率器件的芯片級連接材料。但是，和普通的合金焊料相比，納米銀焊膏燒結溫度(280℃)過高，并不適用于工業應用，而且市面上很多的印刷電路板等電子材料在封裝過程中承受不了太高的燒結溫度，所以降低納米銀焊膏的燒結溫度非常迫切。

目前，降低納米銀燒結溫度的方法主要有兩種，一種是在納米銀焊膏的燒結過程中施加一定的壓力，但是這種方法很有可能會造成電子器件的損壞，增加工藝的復雜性；另一種方法是減少納米銀粒子的粒徑，但是這種方法會增加操作成本。就100nm粒徑的納米銀焊膏來說，低溫下燒結時(燒結過程中不施加壓力)不能形成致密體，所以強度并不是很高。按照細晶強化的理論，如果添加細小的sic粒子，使其在燒結過程中為納米銀粒子提供形核核心細化晶粒可以提高基體強度，但是sic和納米銀的結合性能并不是很好，而且sic導電性能不好，容易在器件的使用過程中提供失效的來源。

液相燒結技術的出現，給我們提供了另一種低溫下提高強度的思路。通過液相燒結的理論，我們將銀和錫混合，當燒結溫度達到錫熔點時，低熔點的錫熔化，此時，液相錫和固態銀的相互擴散加快，液態的錫擴散進入銀的基體中，產生毛細作用力，發生銀原子重排和致密化。等溫凝固過程后，銀錫間相互擴散形成穩定的ag3sn金屬間化合物。最終得到燒結銀基體和彌散分布的ag3sn金屬間化合物。這個過程中，由于發生了細晶強化，固溶強化以及形成了第二相粒子，會提高銀基體的連接強度。

由于銀錫顆粒包覆著有機溶劑，需要在不同的溫度保溫將有機溶劑揮發以讓二者進行有效的擴散，形成理想的燒結結構。所以我們制定了合適的燒結工藝對其進行燒結。

技術實現要素：

為了降低納米銀焊膏的燒結溫度，基于瞬態液相燒結理論，以納米銀為基體，微米錫為摻雜金屬，利用物理方法制備了錫摻雜納米銀焊膏(tdsp)，從而使焊膏的燒結溫度進一步降低至235℃，圖1為tdsp未燒結宏觀形貌。tdsp的燒結是一個由固態擴散轉變為固液擴散的過程，擴散過程中由于液相的出現，加快了粒子的遷移速率，燒結也更為致密，其過程如圖2中a、b兩元素瞬態液相燒結過程所示。通過對235℃下燒結的6×6mm²硅基芯片接頭進行剪切測試，發現當納米銀焊膏中的錫摻雜量達到4wt.％時，燒結tdsp接頭連接強度可達到23mpa。通過對燒結tdsp的微觀分析，發現隨著摻雜的錫的含量的增多，銀基體xrd峰向右偏移，如圖3所示，ag3sn金屬間化合物的相對含量增多，不斷起到第二相強化的作用,圖4為tdsp燒結后微觀形貌。此外，通過如圖5(a)所示的tem檢測和圖5(b)和(c)所示的edsag元素面掃描和sn元素面掃描檢測得到的固溶體也進一步驗證了燒結接頭的固溶強化機制對連接強度的提高也起到了重要的作用。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

低溫燒結的錫摻雜納米銀焊膏的制備方法，步驟如下:

1)配置錫膏:按照錫粉末和助焊劑質量比為9:1配置原料為sn元素的粉末和松香助焊劑，通過攪拌完成微米錫膏；

2)按照銀質量分數為90-99％，錫質量分數為1-10％；稱量納米銀焊膏和微米錫膏加入松油醇溶解，先利用螺旋振蕩器進行機械振蕩,然后用超聲清洗器進行超聲振蕩，得到混合物；

3)將混合物在70℃恒溫水浴揮發，直至成膏狀。

所述步驟1)機械攪拌機攪拌1-2小時，攪拌機轉速為1000-2000rpm/min。

所述步驟2)中螺旋振蕩器進行機械振蕩時間為25-35min；超聲清洗器進行超聲振蕩時間為55-65min，振蕩功率為100-200w。

所述松香助焊劑配方松香粉末：異丁醇：松油醇為0.5g：1ml：0.5ml。

錫摻雜納米銀焊膏低溫燒結方法:升溫速率為5-10℃/min，室溫升高到50-70℃保溫10-20min，繼續升溫到180-220℃保溫20-60min，升溫至燒結溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結過程中不加壓力，不需要惰性氣體保護，最高燒結溫度為235℃。

本發明的優點：

(1)本發明提供了一種低溫燒結的錫摻雜納米銀焊膏的制備方法，該方法發明工藝程序嚴密，實施嚴謹；燒結溫度低于傳統銀焊膏，工藝程序無需加壓，燒結過程中無需惰性氣體保護，成本適中，具有應用價值。

(2)本發明制備了連接強度較高的連接接頭。與單純的納米銀焊膏相比，相同的燒結工藝下，燒結后連接強度增高一倍。

附圖說明

圖1為tdsp未燒結宏觀形貌；

圖2為瞬態液相燒結過程；

圖3為燒結tdsp的xrd圖；

圖4為tdsp燒結后微觀形貌；

圖5為燒結ag+4wt.％sn膏體接頭連接層(a)tem圖片；(b)ag元素面掃描；(c)sn元素面掃描。

具體實施方式

實施例1：

(1)錫膏的配置：原料為sn元素的粉末(粒徑為10μm)以及松香助焊劑(規格如表1所示)。按照質量分數進行配比計算(錫粉末和助焊劑質量比為9:1)，采用電子分析天平稱取各種原料，通過機械攪拌機攪拌2小時使其混合均勻，攪拌機轉速為2000rpm/min；完成錫膏的配置。

表1實驗藥品

(2)tdsp的配置：將納米銀焊膏和微米錫膏按照質量比例稱量于試管中，使得銀和錫的質量分數比分別為96:4。加入松油醇充分溶解，先后分別利用螺旋振蕩器進行機械振蕩(振蕩時間為30min)和超聲清洗器進行超聲振蕩(振蕩時間為60min，振蕩功率為100w)。

(3)tdsp的成型：將混合物倒入坩堝(規格10ml)中，恒溫(70℃)水浴揮發，直至成膏狀。

燒結工藝：升溫速率為5℃/min，室溫升高到50℃保溫20min，繼續升溫到200℃保溫40min，升溫至燒結溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結過程中不加壓力，不需要惰性氣體保護，最高燒結溫度為235℃。

實施例2：

(1)錫膏的配置：原料為sn元素的粉末(粒徑為10μm)以及松香助焊劑(規格如表1所示)。按照質量分數進行配比計算(錫粉末和助焊劑質量比為9:1)，采用電子分析天平稱取各種原料，通過機械攪拌機攪拌1小時使其混合均勻，攪拌機轉速為1000rpm/min；完成錫膏的配置。

表1實驗藥品

(2)tdsp的配置：將納米銀焊膏和微米錫膏按照質量比例稱量于試管中，使得銀和錫的質量分數比分別為99:1。加入松油醇充分溶解，先后分別利用螺旋振蕩器進行機械振蕩(振蕩時間為25min)和超聲清洗器進行超聲振蕩(振蕩時間為55min，振蕩功率為200w)。

(3)tdsp的成型：將混合物倒入坩堝(規格10ml)中，恒溫(70℃)水浴揮發，直至成膏狀。

燒結工藝：升溫速率為7℃/min，室溫升高到60℃保溫15min，繼續升溫到180℃保溫60min，升溫至燒結溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結過程中不加壓力，不需要惰性氣體保護，最高燒結溫度為235℃。

實施例3：

(1)錫膏的配置：原料為sn元素的粉末(粒徑為10μm)以及松香助焊劑(規格如表1所示)。按照質量分數進行配比計算(錫粉末和助焊劑質量比為9:1)，采用電子分析天平稱取各種原料，通過機械攪拌機攪拌1.5小時使其混合均勻，攪拌機轉速為1500rpm/min；完成錫膏的配置。

表1實驗藥品

(2)tdsp的配置：將納米銀焊膏和微米錫膏按照質量比例稱量于試管中，使得銀和錫的質量分數比為90:10。加入松油醇充分溶解，先后分別利用螺旋振蕩器進行機械振蕩(振蕩時間為35min)和超聲清洗器進行超聲振蕩(振蕩時間為65min，振蕩功率為150w)。

(3)tdsp的成型：將混合物倒入坩堝(規格10ml)中，恒溫(70℃)水浴揮發，直至成膏狀。

燒結工藝：升溫速率為10℃/min，室溫升高到70℃保溫10min，繼續升溫到220℃保溫20min，升溫至燒結溫度235℃保溫30min，之后自然冷卻，燒結過程中不加壓力，不需要惰性氣體保護，最高燒結溫度為235℃。