烧结银互连是电子封装的“救世主”吗？

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随着电子信息技术的飞速发展，功率器件正朝着高功率、高集成与小型化方向大步迈进。这使得器件封装和热处理技术面临巨大挑战。尤其是在航空航天、电子通信、电网逆变转换以及新能源汽车电源模块等严苛应用场景中，对功率器件封装材料的散热性能、电气连接能力以及长期稳定性提出了极高的要求。传统的互连材料，如锡基共晶钎料、金基钎料合金、导电胶等，因难以满足低温烧结与高温服役的要求，已逐渐暴露出导热与电学性能不足的问题。纳米银膏凭借其独特的低温烧结、高温服役特性，成为解决这一难题的关键材料，能够显著提升器件的可靠性与性能。

纳米银膏的制备方法

1、物理法

机械球磨法：机械球磨法是在密闭容器内放置一定数量、尺寸不同的研磨球，在隔绝空气条件下，容器通过振动、旋转，研磨球搅拌、研磨银粉体，得到纳米级的银粉。

真空冷凝法：在惰性气体或真空氛围下，通过高温手段使原料银气化或形成等离子体，随后迅速冷凝得到纳米银粒子。该方法优点是纯度高、结晶性好、粒径可控，但设备要求高、生产成本高，不利于大规模生产。

激光灼烧法：利用高能脉冲激光加热银材料至气化温度以上，再将银蒸气冷却得到纳米银。其优点是纯净无化学污染、生产周期短。

2、化学还原法

微乳液法：通过将分散剂添加到互不相容的溶剂中，在高速搅拌下形成纳米级微小空间，进而控制纳米颗粒粒径尺寸。

液相还原法：在水溶液或有机体系中，加入银前驱物及还原剂，通过还原反应将银离子还原为银纳米颗粒。此法应用广泛，反应条件可控，可实现批量化生产。

3、生物合成法

生物合成法具有反应条件温和、绿色环保、成本低廉等优势，是当前研究热点。其中，利用微生物制备纳米银是重要方向，例如肺炎雷伯菌、大肠杆菌和阴沟肠杆菌的培养上清液可还原银离子合成银纳米颗粒。

低温烧结银膏的研究

1、银膏有机相的研究

银膏主要包含纳米银、有机载体与溶剂。由于银纳米颗粒的尺寸效应，容易形成团聚、聚集，影响银膏的性能。所以在银膏制备过程中，需要添加一些有机成分，同时辅助物理搅拌及分散，来提升银膏的性能。添加的有机成分由于其自身的物理和化学性质，在银膏中发挥不同的作用，有机添加剂主要分为溶剂、分散剂和粘结剂以及表面活性剂等。

分散剂的作用类似于包覆剂，通过吸附在银原子表面，防止银纳米颗粒之间的团聚；粘结剂为长烃链有机物，分解温度较高，在纳米银膏加热过程中，不随溶剂的挥发而挥发，可有效防止溶剂快速挥发引起的浆料收缩开裂现象，提高银膏与基板材料的连接强度；溶剂一般为短烃链有机物，主要作用是调节银膏的粘度和流动性，满足工业应用。

银膏的制备过程如下图所示。首先将粘结剂、溶剂、分散剂溶于有机溶剂丙酮当中，溶解完全后，将纳米因颗粒加入其中，在超声辅助的条件下通过物理搅拌混合均匀。随后将混合均匀的溶液进行真空蒸发，将银膏中多余的溶剂挥发，得到一定固含量的银浆料。

2、银膏烧结银材料

（1）纳米银膏

当银颗粒尺寸减小至纳米级别，会出现尺寸效应，会表现出与块材料不同的物理性质，如熔点降低和烧结温度下降。这是由于颗粒尺寸减小，颗粒表面原子的占比升高，表面能随着颗粒尺寸减小而增加。研究表明，纳米颗粒表面在加热时还会出现预熔化现象，这极大降低了颗粒烧结所需要的能量，因此颗粒尺寸越小，纳米银膏的烧结活性越高，烧结温度越低。

（2）复合银膏

纳米银膏可以实现低温服役高温互连，然而在实际应用中，仍然受一些因素的制约，银纳米颗粒的生产成本高，烧结过程中会产生收缩出现裂纹同时还存在大面积焊点中心处有机物难以分解挥发等问题。向银膏中加入其它金属或材料可以降低银含量，从而减少银膏成本。如铜因其优良的导电导热性能、良好的力学性能且价格低，是理想的替代元素。此外，依据粉末最紧密堆积理论，不同粒径粉体搭配可降低孔隙率，提高导电导热性。同时，添加其他颗粒如SiC纳米颗粒，可阻碍烧结组织收缩粗化，提高高温服役稳定性和长期服役可靠性。

纳米银膏烧结工艺的研究进展

1、烧结阶段

纳米银膏的烧结过程可以分为三个阶段：

（1）初始阶段：表面原子扩散，形成烧结颈，致密化贡献有限，通常在 2%-3% 之间。

（2）致密化阶段：相对致密度可达到 93%，孔隙逐渐减少，但尚未完全隔离。

（3）孔隙隔离阶段：孔隙被隔离，物质输运通过黏性流动或晶界扩散实现，孔隙尺寸减小，致密化过程占主导地位。

2、烧结工艺的优化

（1）有机包覆层的减薄：通过减薄纳米银颗粒表面的有机包覆层，可以提高颗粒的烧结活性，从而在较低温度下实现更致密的烧结结构。

（2）双峰粒径设计：通过将不同粒径的纳米银颗粒混合，可以提高初始堆垛密度，进而提升烧结体的综合性能。例如，将粒径为 11.9 nm 和 52.8 nm 的纳米银颗粒混合，可以显著降低孔隙率。

（3）添加第二相颗粒：在纳米银膏中引入其他颗粒（如 SiC 纳米颗粒）可以阻碍烧结组织的收缩粗化，细化晶粒尺寸，从而提高互连接头的高温服役稳定性和长期服役可靠性。

3、烧结方法的创新

（1）无压烧结：无压烧结是一种重要的发展方向，尤其适用于大面积芯片互连。通过优化纳米银颗粒的表面修饰和烧结条件，可以在无外加压力的情况下实现良好的烧结效果。

（2）超声辅助烧结：超声辅助烧结可以有效减少烧结时间和工艺复杂性，但目前所获得的互连接头抗剪强度仍低于传统热压烧结。

（3）电流辅助烧结：电流辅助烧结能够快速实现纳米银膏的烧结，尤其适用于大面积功率芯片的封装。与单独的热压烧结相比，电流辅助烧结的接头综合性能更优异。

发展趋势

（1）高性能复合材料的开发

未来将更加注重开发纳米银与其他材料（如碳化硅、氮化硼等）的复合材料，以进一步提升烧结银互连的综合性能，如导热性、导电性和机械强度。

通过添加特定的功能性材料，赋予烧结银互连更多的功能特性，例如抗电磁干扰、耐腐蚀等，以满足复杂应用环境的需求。

（2）极端环境下的可靠性提升

针对高温、高湿等极端环境，优化烧结银互连的配方和工艺，提高其在这些条件下的长期稳定性和可靠性。

通过改进材料和工艺，增强烧结银互连在快速温度变化（热冲击）条件下的性能，减少因热应力导致的失效。

（3）成本与应用的平衡

在保持高性能的同时，通过规模化生产和工艺改进，降低烧结银互连材料的成本，使其能够更广泛地应用于民用领域，如5G基站、新能源汽车等。

进一步拓展烧结银互连技术的应用范围，不仅限于高端半导体封装，还将在航空航天、工业电源等领域发挥重要作用。