崔西會，孫 毅，陸 君

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第29研究所，四川成都 610036；2.二炮裝備研究院第四研究所，北京 100085）

納米銀漿在微系統(tǒng)集成技術(shù)方面的應(yīng)用

崔西會1，孫 毅1，陸 君2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第29研究所，四川成都 610036；2.二炮裝備研究院第四研究所，北京 100085）

在納米材料發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了納米銀漿的特點(diǎn)及在微系統(tǒng)集成領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。同時，使用京瓷的納米銀漿進(jìn)行了裝配驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明納米銀漿可應(yīng)用于三維集成領(lǐng)域，并解決復(fù)雜組件組裝時的溫度兼容性問題。

納米銀；低溫；無壓；微系統(tǒng)

0 引 言

納米技術(shù)對現(xiàn)代科技的推動顯示出了巨大的成效。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域內(nèi)，納米技術(shù)使得摩爾定律得以延續(xù)。HP實(shí)驗(yàn)室量子研究所負(fù)責(zé)人斯坦利指出，“納米技術(shù)具有長期的潛力，即使把微電子、塑料和鋼鐵加在一起，納米技術(shù)也能讓它們相形見絀”。

在納米技術(shù)領(lǐng)域，納米CMOS器件、碳納米管、納米晶體LED、納米草、納米開關(guān)、納米超導(dǎo)晶體管、納米硅膠等納米器件、納米材料先后被日本、美國、歐盟等研究機(jī)構(gòu)開發(fā)出來?；诩{米技術(shù)的各種產(chǎn)品逐漸在市場上亮相［1］。

隨著納米器件的出現(xiàn)，微電子封裝逐漸走向納電子封裝。美國喬治亞封裝研究中心的Tummala教授明確提出微系統(tǒng)封裝已經(jīng)從毫米級、微米級走到納米級。隨著微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，高互聯(lián)密度的需求大大增加，新型納米材料將在微系統(tǒng)集成領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。這些納米材料主要解決微型器件的饋電和射頻互聯(lián)，如圖1所示的納米銅［2-3］。

1 納米銀性能簡介

微系統(tǒng)的性能、集成工藝、應(yīng)用及發(fā)展等決定于構(gòu)成微系統(tǒng)的各類材料，這類材料包括半導(dǎo)體材料、封裝基板材料、絕緣材料、導(dǎo)體材料、鍵合連接材料、封裝材料等。運(yùn)用納米科技對微系統(tǒng)產(chǎn)品所用的材料進(jìn)行改進(jìn)，無疑會改善微系統(tǒng)的性能。微系統(tǒng)集成技術(shù)的進(jìn)步與微系統(tǒng)封裝材料的發(fā)展是緊密相關(guān)的。

圖1 通過電鍍法得到的納米結(jié)構(gòu)的銅

材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)材料顆粒達(dá)到納米級時，其具有很高的表面活性和表面能，這使得納米顆粒的熔點(diǎn)或者說燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于塊體材料。但其燒結(jié)后形成的材料具有和塊體材料相似的熔點(diǎn)和性能。這就使其在微系統(tǒng)集成領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。

因金屬銀具有很高的熱導(dǎo)率、良好的導(dǎo)電性、抗腐蝕性及抗蠕變性能，且在服役過程中不存在固態(tài)老化現(xiàn)象。特別適合作為大功率產(chǎn)品的組裝材料。使得在眾多的納米材料中，納米銀成為研究比較熱門的封裝材料。

納米銀的主要特性之一就是低溫?zé)Y(jié)，高溫服役。其燒結(jié)溫度可低至150℃，甚至室溫，再次熔化溫度理論上可達(dá)到960℃。這種特性對于復(fù)雜微系統(tǒng)產(chǎn)品集成具有明顯優(yōu)勢，特別是在多級組裝時，不再受溫度梯度的影響。可以說對微系統(tǒng)產(chǎn)品的集成工藝發(fā)展具有跨時代的意義［4-6］。

2 納米銀在三維集成領(lǐng)域研究進(jìn)展

從上個世紀(jì)80年代開始，納米銀已經(jīng)被諸多學(xué)者及機(jī)構(gòu)研究。在電子封裝領(lǐng)域，納米銀的應(yīng)用研究稍晚。

SEMIKRON公司采用納米銀燒結(jié)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Bongding技術(shù)制作出了IGBT模塊，如圖2、圖3所示。使用納米銀漿燒結(jié)技術(shù)后，不但組件的散熱問題，同時使組件的可裝性和可靠性大幅度提高。

在電子封裝領(lǐng)域，納米銀漿最先被應(yīng)用在大功率封裝領(lǐng)域。圖4到圖7所示為Guo-Quan Lu等人采用30～50 nm的納米銀漿在275℃無壓狀態(tài)下獲得了良好的燒結(jié)接頭。接頭的致密度可達(dá)80%，剪

圖2 納米銀漿在大功率產(chǎn)品中的應(yīng)用形式

圖3 納米銀漿和傳統(tǒng)組裝方式對比

切強(qiáng)度達(dá)到20 MPa。燒結(jié)層的熱傳導(dǎo)率是普通共晶焊料的5倍以上，這種由納米Ag燒結(jié)層構(gòu)成互連層的芯片基板互連技術(shù)是一種潛在的適合寬禁帶半導(dǎo)體器件（SiC或GaN）的技術(shù)。此外接頭還可承受300℃下，400 h的溫度存儲試驗(yàn)［4-5］。

圖4 2mm×3mm硅功率MOSFET在DBC鍍銀面燒結(jié)

圖5 2 mm×2 mm SiC器件在DBC鍍金面燒結(jié)

圖6 4 mm×4 mm SiC器件在銅鍍銀面燒結(jié)

日本バソド化學(xué)公司2003年開發(fā)成功一種納米銀漿（粒徑數(shù)10 nm），這種銀漿適用于樹脂系印刷電路板，可低溫?zé)刹⒈３值偷碾娮杪?，作為印刷電路板的微?xì)電路構(gòu)成將獲得實(shí)際應(yīng)用。銀的熔點(diǎn)為961℃，而這種銀漿的熔點(diǎn)僅有100～150℃，可以用于各式各樣的印刷電路板貼裝［7］。

圖7 2 mm×3 mm硅MOSFET在可閥合金上燒結(jié)

Bai John G等人將含30 nm納米銀粉的焊膏加熱到280℃，其密度可以達(dá)到全密度的80%。該燒結(jié)的多孔銀粉焊膏的熱傳導(dǎo)率240 W／（K·m），電導(dǎo)率約為3.8×105S／cm，彈性模量為約9 GPa，拉伸強(qiáng)度為43 MPa。這種材料的物理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通釬料合金材料的性能，更適合應(yīng)用于高可靠性領(lǐng)域［8］。

DaisukeWakuda，Keun-Soo Kim等人通過化學(xué)方法制備出納米銀，其平均直徑不到10 nm如圖8所示。然后在其中加入少量烷基胺制備出納米銀漿。這種納米銀漿可在室溫下燒結(jié)，燒結(jié)時間在30 min內(nèi)，提高燒結(jié)溫度可加速燒結(jié)過程并進(jìn)一步降低接頭的電阻率。23℃燒結(jié)接頭的電阻率低至4.9×10-6Ωm，150℃燒結(jié)接頭如圖9所示）的電阻率可低至3.2×10-7Ωm。接頭的剪切強(qiáng)度可達(dá)8 MPa。美中不足的是接頭在燒結(jié)時需要大約1 MPa的壓力。在一定程度上限制了其應(yīng)用邊界［9-11］。

8 DaisukeW akuda等制備的納米銀顆粒TEM圖像

張穎川等采用化學(xué)還原法制備的平均直徑40 nm的納米銀在5 MPa、250℃下燒結(jié)5min后，其接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)56 MPa［11］。

王帥、計(jì)紅軍等人采用化學(xué)還原方法制備了平均直徑10 nm的納米銀漿，如圖10所示。這種納米銀漿在150～200℃之間保溫20～30 min可達(dá)到很好的燒結(jié)效果。而且燒結(jié)過程中不需要外加壓力，給應(yīng)用帶來了很大靈活性。經(jīng)試驗(yàn)，其接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到25 MPa，熱導(dǎo)率值達(dá)到74 W／（m·K），性能相當(dāng)優(yōu)異［4］。

圖9 150℃燒結(jié)接頭TEM圖像

圖10 王帥等制備的納米銀顆粒透射電鏡圖像

懂春法等人制備出平均直徑10 nm的納米銀導(dǎo)電漿料。這種導(dǎo)電漿料燒結(jié)后的表面形貌與納米銀的含量有關(guān)。當(dāng)納米銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，在150℃ 就可以燒結(jié)得比較致密，并且具有良好的導(dǎo)電性［12］。

從國際和國內(nèi)的研究情況來看，雖然取得了很大的發(fā)展，但是各個研究機(jī)構(gòu)的材料在商業(yè)化中存在或多或少的問題，或是燒結(jié)溫度過高、或是需要外加壓力、或是技術(shù)成熟度不夠，限制了這種材料的工程化。即便如此，國際頂級研究機(jī)構(gòu)已有用于三維集成領(lǐng)域的商業(yè)化產(chǎn)品問世。

2011年HENKEL公司成功制備了無壓燒結(jié)導(dǎo)電銀漿?？蓪?shí)現(xiàn)高功率器件封裝的批產(chǎn)。Ablestik SSP2000是第一款使用了漢高銀燒結(jié)技術(shù)的材料，它是一種高可靠性的芯片粘接材料，非常適用于IGBT和高功率LED產(chǎn)品等功率模塊的集成［13］。

此外，KYOCERA和HERAEUS也分別在2013年和2012年內(nèi)研發(fā)出了商業(yè)級納米銀漿并進(jìn)行推廣。

3 在三維集成領(lǐng)域的應(yīng)用驗(yàn)證

為了驗(yàn)證納米銀漿在三維集成領(lǐng)域的應(yīng)用情況。選用日本京瓷的XT2773R5型納米銀漿進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時，分4批，每批將5個大小為5 mm× 8 mm×0.3 mm的薄膜電路片燒結(jié)至熱膨脹系數(shù)為11 ppm的高硅鋁合金上，電路片和高硅鋁合金待連接表面均采用鍍金處理。燒結(jié)在200℃±5℃進(jìn)行，燒結(jié)時間60min。圖11所示為試驗(yàn)過程示意圖。

圖11 試驗(yàn)過程示意圖

在全部20片電路片燒結(jié)完成后，對其進(jìn)行推力測試，均滿足GJB548B—2005的要求。

為了驗(yàn)證納米銀漿的環(huán)境適應(yīng)性，對其進(jìn)行了-55～125℃循環(huán)100次的溫度循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)后對其再次按照GJB548B—2005進(jìn)行推力測試，仍然滿足GJB548B—2005中關(guān)于對芯片剪切力測試的要求。這說明納米銀漿可以應(yīng)用于三維集成組裝領(lǐng)域，并解決三維集成中復(fù)雜組件組裝的溫度兼容性問題，對微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展將起到至關(guān)重要的推動作用。

［1］翁壽松.納米技術(shù)將推動IC產(chǎn)業(yè)繼續(xù)前進(jìn)［J］.微納電子技術(shù)，2006，（6）：261-265.

［2］胡炎祥.納電子封裝［J］.趨勢與展望，2005，30（8）：8-12.

［3］王陽元等.微納電子學(xué)科／產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史及規(guī)律［J］.中國科學(xué)，2012，42（12）：1485-1508.

［4］王帥，計(jì)紅軍等.用于電子封裝的納米銀漿低溫?zé)o壓燒結(jié)連接的研究［J］.電子工藝技術(shù)，2012，33（6）：317-319.

［5］陳旭等.高溫功率半導(dǎo)體器件連接的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)［J］.電子元件與材料，2006，25（8）：4-6.

［6］GUO Q L.Low-Temperature Sintering of Nanoscale Silver Paste for Power Chip Attachment，2004：42-46.

［7］啟明.納米銀糊膏［J］.工業(yè)材料，2004，51.

［8］BAI JG，ZHANG Z Y，GALATA JN，et al.Low-temperature Sintered Nanoscale Silver as A Novel Semiconductor Device-metallized Substrate Interconnect Material［J］.IEEE Trans Compon Packg Technol，2006，29，in pressed.（11）：11.

［9］DAISEW.Room Temperature Sintering Mechanism of Ag Nanoparticle Paste［C］.2nd Electronics Systemintegration Technology Conference，2008，909-914.

［10］DAISEW.Room Temperature Sintering of Ag Nanoparticle Paste［J］.IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES，2009，32（3）：627-632.

［11］張穎川.納米銀與納米銅混合焊膏用于電子封裝低溫?zé)Y(jié)連接［J］.焊接學(xué)報(bào)，2013，34（8）：17-21.

［12］懂春法.納米銀及其導(dǎo)電漿料的制備與研究［J］.電子元件與材料，2013，32（9）：30-34.

［13］業(yè)界要聞.電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，40（8）：60.

崔西會（1980—），男，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槲⒔M裝、封裝及微系統(tǒng)集成；

E-mail：cuixihui＠aliyun.com

孫毅（1987—），男，工程師，碩士，四川成都人，主要研究方向?yàn)槲⒔M裝工藝方面的研究。

陸君（1980—），男，工程師，江蘇省靖江市人，本科，主要研究方向?yàn)殡娮訉?、系統(tǒng)工程方面的研究。

Ag Nanoparticle Paste Applied to M icrosystem s Integrated Technology

CUIXi-hui1，SUN Yi1，LU Jun2
（1.The 29thResearch Institute of CETC，Chengdu 610036，China；2.The 4th Research Institute of Second Artillery Equipment Academy，Beijing 100085，China）

On the basis of developing trend of nano-structured materials，the characteristic of Ag nanoparticle paste and the status in quo ofmicrosystem integrated technology are introduced.Also，the assembling test is done by using KYOCERA＇s silver nanoparticle paste.The test result indicates that silver nanoparticle paste can apply to the 3D integration ofmicrosystems，and the problem of temperature compatibility is solved when the complex subassembly is assembled.

Ag nanoparticle；low temperature；pressureless；microsystem

TN405

：A

：1673-5692（2015）01-098-04

10.3969／j.issn.1673-5692.2015.01.017

2014-11-24

2015-01-27