摘要
为了探索纳米银浆在大功率器件组装中的应用可靠性，亟待获得纳米银浆的烧结特性和热力学性能。本文对不同烧结温度、烧结时间、升温速率、烧结方式的纳米银浆样件烧结强度，结合烧结形貌进行了系统研究，并与航天电子产品中常规的互连材料Au80Sn20焊料、Sn90.5Ag3Cu0.5焊料以及H20E导电胶的散热性进行了对比分析。研究结果表明：采用可控升温速率空气氛围的烧结方式，在200 ℃下保温90 min，银浆样件的剪切强度最高可达40 MPa。纳米银浆导热性能与Au80Sn20相当，明显高于H20E和SAC305。在经历严酷的热应力和机械应力试验后，其剪切强度保持稳定，因此纳米银浆作为高导热连接材料在宇航大功率器件组装中具有良好的应用前景。
随着电子产品向高功率、高密度和高集成度的发展，功率器件的散热和多温度梯度微组装问题日益突
传统的软钎料是功率器件散热的主要连接材
本文主要进行了低温无压力纳米银浆烧结工艺的研究，对不同烧结温度、烧结时间、升温速率、烧结方式的纳米银浆样件烧结强度对比，结合烧结形貌，明确最优的烧结工艺参数。并与航天电子产品中常规的互连材料Au80Sn20焊料、Sn90.5Ag3Cu0.5（SAC305）焊料以及H20E导电胶的散热性进行了对比。初步探索了纳米银浆在大功率芯片中的应用，获得了纳米银浆的烧结特性和热力学性能，以及评估了其宇航应用可靠性，为后续纳米银浆在航天功率产品的应用奠定一定的基础。
经广泛调研，本文选用了日本京瓷公司的一款商业化纳米银浆产品，主要成分为纳米级银颗粒、微米级银颗粒与树脂材料混合物，纳米银为片状粉（Ag91wt%），其可采用低温无压力方式进行烧结，并结合剪切强度、空洞率以及烧结最高温度等材料本体性能指标，该款纳米银浆较能符合功率芯片组装的工况。
选用钨铜（WuCu15）镀金载体（尺寸为20 mm × 20 mm × 1.5 mm）和可伐（4J42）镀金热沉（尺寸为4 mm × 4 mm × 0.25 mm）进行纳米银浆烧结工艺研究；选用可伐、硅铝镀金壳体和镀金热沉进行纳米银浆烧结可靠性研究，选用镀金钨铜底座金属管壳、钨铜热沉、砷化镓芯片（尺寸为3.5 mm × 4 mm × 0.08 mm）组装成功率模块进行不同连接材料散热性研究。
为了进行烧结工艺研究，将同规格可伐热沉采用纳米银浆通过不同烧结工艺参数连接在钨铜载体上，样品制作如
（a） 烧结样件
（b） 可靠性样件
（c） 散热性能样件
图1 3种样件结构示意图
Fig.1 Schematic diagrams of three types of samples
为了进行纳米银浆烧结工艺的研究，采用烧结炉（空气氛围）在升温速率设置为5 ℃/min烧结温度设置为200 ℃保持90 min烧结时间的基础条件上，改变烧结参数，在不同烧结温度、烧结时间和升温速率条件下进行烧结样件制备；同时改变烧结方式，分别采用热台、鼓风烘箱、充氮烘箱和烧结炉进行样件制备，前三者升温速率不可控。采用Dage4000PLUS进行剪切强度测试；采用FEI TM扫描电镜观察形貌。
为了验证纳米银浆烧结界面的长期可靠性，进行了如
分析认为，纳米银浆材料中含有纳米银颗粒、微米银颗粒和防止银浆中纳米颗粒在室温下团聚而包覆在纳米颗粒表面的高分子有机层等。因纳米颗粒具有非常大的比表面积以及极小的表面曲率半径，致使其在100 ℃就可以开始融化。而高分子有机层需要一定的热分解温度，其分解是纳米颗粒烧结发生的前提条件，到达有机层热分解温度后，纳米颗粒之间就会形成一定的烧结颈，随之烧结颈逐步消失纳米银浆聚合互联逐渐形成整体，并与互联材料之间进行原子间的相互扩散。因此，当烧结温度过低或烧结时间过短时，纳米银浆中有机层挥发和分解不完全，烧结接头内部仍会存在较多的有机包覆层残留物，导致烧结不充分，形成的接头剪切强度较低。而过高的升温速率易导致纳米银浆烧结过程中有机成分不能及时挥发从而形成的孔隙增大，进而导致剪切强度降低。
不同的烧结方式下，热台从底面加热，且加热速率较快，烧结样件的银浆层上下面受热不均匀，致使有机成分不易挥发。而充氮烘箱升温不均匀，造成有机成分挥发不理想，易导致成局部烧结不完全。而烧结过程中的氧气氛围将有利于纳米银浆中有机成分氧化分解，在氮气氛围中需要更高的温度确保纳米银浆中的有机成分挥发。剪切形貌也进一步证实了烧结氛围对烧结结果的影响。
图2 不同烧结条件样件的剪切形貌
Fig.2 Morphology of sheared samples under different sintering conditions
（a） 烧结条件：100℃/90min
（b） 烧结条件：200℃/90min
图3 不同温度烧结样件的剪切形貌
Fig.3 Morphology of sheared samples at different sintering temperatures
从
综上可知，从烧结后的形貌可以看出，纳米银浆烧结温度不够或烧结时间过短，均不能形成有效的互连结构形貌，纳米银浆烧结不完全且孔隙较多，这些将导致烧结样件剪切强度明显降低，与2.1节所得剪切力测试结果吻合。
（a） 未烧结
（b） 烧结条件：100℃/90min
（c） 烧结条件：200℃/10min
（d） 烧结条件：200℃/90min
图4 不同烧结条件下样件的SEM图
Fig.4 SEM images of samples under different sintering conditions
对纳米银浆、常规H20E导电胶、SAC305及Au80Sn20焊料四种贴装材料制备的散热测试样件进行结温测试。
（a） 测试结果
（b） 计算结果
图5 不同加载功率下样件结温测试结果及热阻计算结果
Fig.5 Results of junction temperature and thermal resistance of bonding materials under different powers
（1）烧结温度、烧结时间和烧结方式对纳米银浆烧结后的剪切强度影响都很大，升温速率影响相对较小。其中，当采用烧结炉保持空气氛围、烧结温度200 ℃、烧结时间90 min、可控升温速率为5 ℃/min时，所获得的纳米银浆烧结件剪切强度较大。
（2）当烧结温度和烧结时间不充分时，纳米银浆均不能形成有效的互连结构，孔隙较多，尤其是烧结温度不够，纳米银浆中有机包覆层分解不完全，银浆不能有效熔融互连。烧结SEM结果表明，互连结构仍存在一定因有机成分挥发等多种因素造成的孔隙。
（3）散热性测试结果表明，纳米银浆具有与Au80Sn20相当的导热能力，其热阻明显低于H20E和SAC305，在功率器件组装中具有良好的应用前景。
（4）在经历宇航温度125 ℃烘烤168 h、110次温度循环（-55~125 ℃，温度转换1 min）及4.9×1
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