納米銀基復合焊料微觀結構對集成電路焊接性能影響研究

【關鍵詞】納米銀基復合焊料；微觀結構；集成電路；焊接性能

引言

近年來，可代替釬焊焊料的納米銅、納米銀、納米金等材料成為研究熱點，在功率半導體行業也開始推廣使用。當這些貴金屬材料的顆粒度達到納米級別時，通常具備較高的表面活性或表面能，其再次燒結合金的溫度遠低于塊體材料，從而使納米材料的再結晶溫度顯著降低。同時，這類貴金屬材料在燒結后的焊接材料與塊體材料具有相同的熔點和性能，實現了低溫燒結、高溫服役工作的功能。納米銀理論燒結溫度可低至150℃，再次熔融溫度理論上可達到960℃；燒結后理論熱導率可達到300 W/（m·K）以上，實際熱導率為200 W/（m·K）。納米銀具有上述優點，可以替代釬焊焊料在功率電子器件焊接工藝中推廣應用[1]。

一、納米銀基復合焊料與集成電路焊接相關理論基礎

（一）集成電路焊接原理與要求

集成電路焊接就是把電子元件同電路板連在一起的重要工藝，隨著集成電路朝著高密度、高性能的方向發展，焊接點的電導率和導熱性能就變得很重要。高功率集成電路在工作的時候會發出很多熱量，要是不能快速傳遞和散發掉，就會使焊接點變得很燙，從而影響焊接的效果和電子元件的工作狀態[2]。因此，焊接用的材料不但要有好的導電性，還得有很好的導熱能力，這樣才能保證焊接點在大電流和高溫的情況下仍然穩定可靠。而且，焊接材料的濕潤度和分散度也會對焊接是否均勻牢固產生影響，這直接關乎集成電路能否長久可靠地工作。

（二）納米銀基復合焊料組成與特性

納米銀基復合焊料是一種新型焊接材料，主要由納米銀顆粒（高導電、低溫燒結）、改性碳納米管（高導熱、內部填充銀粒子增強導電導熱）、環氧樹脂/固化劑（機械強度）、助焊劑（潤濕、分散）、有機溶劑組成。復合結構具有高導電、高導熱、良好的焊接性和機械強度[3]。

（三）復合焊料與集成電路焊接適配性理論

納米銀基復合焊料的微觀結構對它在集成電路焊接中的適配性非常重要。納米銀適合高功率電學需求，改性碳納米管則顯著提升了導熱性能，有效解決了熱量堆積問題。經過氨基化及1，4二（2′，3′環氧丙基）全氟丁烷表面處理之后，碳納米管的表面張力降低，其分散性和潤濕性均得到加強，可以形成均勻的焊接層。這一處理使得接頭的導電性、導熱性、穩定性和可靠性都得到提升。

二、納米銀基復合焊料微觀結構分析

（一）納米銀顆粒的微觀結構特征

納米銀顆粒在復合焊料中有著獨特的微觀結構，它的粒徑屬于納米級別，大概在60到150納米之間，這個范圍內的尺寸比較小而且比較均勻。從形狀上看，大多呈近似球形或者類球形，這樣的形狀有利于在焊料中均勻分布，減少團聚情況。在高倍顯微鏡下觀察時，納米銀顆粒表面看起來比較光滑，表面能較高，這就使它在焊接過程中可以在相對較低的溫度下發生燒結。在復合焊料體系當中，納米銀顆粒彼此接近卻又保持一定距離，從而形成導電通路，給電流傳輸賦予一條低電阻路徑[4]。納米銀顆粒均勻分布還能為整個焊料的機械性能改進奠定基礎，提升焊料和被焊接材料之間的結合強度，這對集成電路焊接的導電性能以及機械穩定性起著關鍵的作用。

（二）改性碳納米管的微觀結構變化

原始的多壁碳納米管經過一系列的改性之后，微觀結構發生了明顯的變化。在粗化和活化階段，經過酸堿的處理之后，碳納米管的表面被腐蝕，變得粗糙多孔，從而增大了碳納米管的表面積，為后續的反應提供了更多的活性位點。經過高低濃度銀氨溶液的處理，并經歷還原處理之后，碳納米管的內部和表面沉積了銀粒子，原本的空心部分被銀粒子填充。這不僅顯著提升了碳納米管本身的導電性，還大幅增強了碳納米管與納米銀的接觸及結合效果。表面氨基化處理引入了氨基基團，改變了碳納米管表面的化學性質，經過1，4二（2′，3′環氧丙基）全氟丁烷處理之后，引入了氟元素和環氧基，使碳納米管表面變得更加親潤，在環氧樹脂中分散性大大提高，從而使碳納米管能夠以更加均勻的狀態分布在復合焊料中，有效地改善了焊料的微觀結構均勻性和整體性能[5]。

（三）納米銀與碳納米管之間的界面結構

納米銀和碳納米管之間的界面結構有著獨特的物理和化學特性，這樣的界面在很多應用中都有著明顯的優勢。納米銀顆粒一般會均勻地分布在碳納米管表面，形成一層緊密的金屬覆蓋層，這樣不僅提升了碳納米管的導電和導熱性能，而且改善了碳納米管在復合材料中的分散度以及界面穩定情況。在一些研究中，納米銀和碳納米管之間通過化學鍵或者物理吸附的方式建立了穩定的界面，這種界面可以有效地削減接觸電阻，改良材料的總體性能。在固態電池里面，納米銀界面可以推動鋰離子的流動并遏制鋰枝晶的生成，大幅減小了界面電阻。納米銀修飾的碳納米管在高導熱導電膠中表現優異，低溫燒結鍵合形成三維導熱結構，減少界面之間聲子散射，實現高效熱傳導。改性碳納米管表面銀粒子及活性基團有利于其與納米銀有效結合。二者通過化學鍵和物理吸附的方式連接，在界面處形成緊密的結合層，從而顯著提高電子傳輸效率（提升導電性）、熱量傳遞（優化導熱路徑）及結構穩定性，進而有效增強焊接點的機械性能。

三、納米銀基復合焊料微觀結構對集成電路焊接性能的影響要點

（一）微觀結構對焊接點導電性的影響

納米銀顆粒有著較高的比表面積和良好的導電性能，這是提高焊接點導電性的關鍵因素。改良納米銀顆粒的尺寸分布情況，可以減小電流傳輸時產生的電阻損失，納米銀顆粒彼此之間形成密集的網絡結構，從而保證了電子在焊接點內部的高效傳導路徑。改性碳納米管內部填充銀粒子之后，不但自身導電能力有所加強，而且與納米銀顆粒之間的接觸界面也得到了明顯改善，這種改進措施有益于削減界面電阻，提升整體導電性。從實驗結果來看，經表面處理過的碳納米管能更佳地分散到焊料當中，進而構建起比較均勻的導電網絡，防止出現局部電阻過高而引發的能量損耗狀況。而且，借助改變納米銀顆粒的濃度和粒徑，也可以進一步改良焊接點的電學性質，使之更為契合不同的應用場合。

（二）微觀結構對焊接點導熱性的影響

多壁碳納米管作為高效的導熱材料，在納米銀基復合焊料中起到了重要的作用。通過高低濃度銀氨溶液處理并在碳納米管內部沉積銀粒子，大大提高了其導熱性能。碳納米管的長徑比和中空結構使它在焊料中能夠形成有效的熱傳導路徑，快速散發焊接點處積累的熱量，氨基化處理和1，4二（2′，3′環氧丙基）全氟丁烷修飾也使得碳納米管在環氧樹脂中的分散性得到了提高，從而保證了均勻的熱傳導網絡。研究顯示，經過處理過的碳納米管可以明顯降低焊接點處的溫度梯度，避免出現局部過熱的現象。而且，納米銀顆粒同改性碳納米管之間存在著很緊密的接觸界面，這種情形有助于加快熱量從焊點向周圍環境的轉移速度，從而提升了焊接點整體散熱的效果，使焊料具備很強的熱管理能力。

（三）微觀結構對焊接點機械性能的影響

納米銀基復合焊料的機械性能由各組分間的相互作用以及自身的微觀結構決定。納米銀顆粒擁有較高的表面能，這使得焊接點具備良好的機械強度，即便是在較低的燒結溫度條件下也能實現可靠結合，而改性碳納米管的存在不但提升了導熱性和導電性，還在一定程度上增強了焊料的機械性能。碳納米管與納米銀顆粒之間存在著緊密接觸的界面，這種物理連接使焊接點的抗拉強度和剪切強度得以增加。經相關研究得知，若想改善焊料的機械穩定性，就要優化碳納米管的分散狀況并改良表面處理工藝，這樣就能顯著提升焊料的機械穩定度，使其能在復雜的應力環境中保持性能而不會輕易出現斷裂或失效現象。此外，通過調整固化劑和環氧樹脂之間的比例關系，還可以進一步提高焊料的機械強度，從而保證它在實際使用時具有長久的可靠性。

（四）微觀結構對焊接點潤濕性的影響

潤濕性是影響焊接質量的關鍵因素之一，納米銀基復合焊料的微觀結構對其有著明顯的影響。助焊劑在清除氧化膜的同時，還推動了焊料和基板之間的潤濕性。不過，僅依靠助焊劑往往難以達到理想效果，特別是針對那些形狀比較復雜的焊點，經過改良的碳納米管憑借表面氨基化處理以及1，4二（2′，3′環氧丙基）全氟丁烷修飾，減小了自身的表面張力，提升了與基板表面的親和力。這種改進措施有利于提升焊料的鋪展性及潤濕性，從而保證焊接點得到均勻的覆蓋。實驗結果顯示，經過改性的碳納米管可以明顯改善焊料的潤濕效果，避免了由于潤濕不良造成的焊接缺陷，而且納米銀顆粒與改性碳納米管之間良好的結合，也使焊料的潤濕效果得到提高，從而為高質量的焊接提供了保障。通過對納米銀顆粒的分散度以及改性碳納米管的含量進行控制，可以進一步改善焊料的潤濕效果，以適應不同的焊接需求。

四、納米銀基復合焊料在集成電路焊接中的應用策略

（一）根據集成電路需求優化復合焊料配方

不同的集成電路對性能的要求各不相同，所以要“因地制宜”地去改良納米銀基復合焊料的配方。對于主要依靠信號處理的高速集成電路來說，它的要求非常高，必須達到極低的電阻，并且能夠使信號快速傳輸。這就要求我們在制作時可以適當地提高納米銀顆粒的比例，加強導電性能，這樣就能保證信號穩定又高效地傳輸。對于功率集成電路而言，它工作的時候會發出大量的熱量，如果加入更多的改性碳納米管，就可以提升焊料的導熱能力，讓這些熱量盡快散發掉，從而避免芯片因為過熱而降低性能。在調整配方的時候也要考慮到其他成分之間的配合情況。例如，按照納米銀以及改性碳納米管的添加數量，來調節環氧樹脂的配比，從而保證焊料具有恰當的粘結強度和穩定度。改良固化劑的使用量，使得環氧樹脂能夠完全固化，形成牢固的結構。精確把控助焊劑的含量，既要有效地清除焊接表面的氧化膜，也不能影響焊料的其他性能。通過這種針對集成電路需求的配方優化策略，可以顯著改善焊接質量并提升集成電路的整體性能。

（二）改進復合焊料制備工藝以優化微觀結構

改性碳納米管制備：精準把握每一步的條件（酸堿濃度/溫度/時間、銀氨溶液浸泡/負載時間），保證銀粒子均勻沉積且結合良好。

混合分散：利用先進的超聲分散技術，合理設置功率與時間，使納米銀和改性碳納米管能夠在環氧樹脂中被均勻分散，避免出現團聚現象。

固化工藝：優化溫度與時間曲線，促進環氧樹脂充分固化，形成穩定網絡。

（三）制定適合集成電路焊接的工藝規范

焊接溫度：利用納米銀低溫燒結特性，將焊接溫度控制在較低范圍內以避免熱損傷敏感元件，并按需進行微調。

焊接時間：精確控制至關重要，過短會造成熔化不足與虛焊，過長則導致納米銀團聚長大，破壞微觀結構。

焊接環境：惰性氣體保護降低氧化，提升質量穩定性與一致性。

結語

通過細致地探究納米銀基復合焊料的微觀結構，本文揭示了它在集成電路焊接性能上所具有的多方面影響。納米銀顆粒具有很好的導電能力，而經過改良的碳納米管具備出色的導熱能力，兩者結合可使焊接點的各方面性能都得到提升。改善微觀結構，如調整納米銀顆粒的分布狀況或者對碳納米管表面進行處理，能夠顯著加強焊接點的導電性、導熱性和機械強度。此外，制定科學合理且合適的焊接工藝規范，并精準調控焊接的溫度、時間以及環境等因素，將進一步保證焊接質量。隨著納米技術不斷發展，應用需求不斷增加，納米銀基復合焊料或許會在更多集成電路焊接場合發揮作用，推動電子技術不斷發展，為制造高性能電子設備提供更可靠的焊接解決方案。

參考文獻：

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[5] 楊呈祥，李欣，孔亞飛，等.納米銀焊膏封裝大功率COB LED模塊的性能研究[J].發光學報，2016，37（01）：9499.