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低温烧结银胶

【摘要】:
大功率半导体器件的散热解决方案 :低温烧结银胶

大功率半导体器件的散热解决方案 :低温烧结银胶

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近年来,对于小型化、高功能化的电子零器件(例如功率器件或大功率发光二极管(LED))的需求急速扩大。功率器件作为可抑制电力损耗并高效率地转换电力的半导体元件,在电动汽车、快速充电器等领域中普及发展。

 

 

大功率LED的功率可以达到数十瓦,工作电流可以是几十毫安到几千毫安不等。大功率LED光源作为第四代电光源,有“绿色照明光源”之称,具有体积小、安全低电压、耗电小、发热小、寿命长、电光转换效率高、方向性好、响应速度快、节能、环保等优良特性,必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。

 

 

在如上所述的电子零器件的小型化、高功能化的进展中,半导体元件的发热量具有增大的倾向。然而,若电子零器件长时间暴露在高温环境下,则寿命急剧减少。因此,对于芯片粘接材料散热的要求越来越高。

 

导电银胶广泛应用做芯片粘接材料。

 

常规的导电银胶由树脂、银粉和助剂构成,其中树脂的作用是提供粘接力,银粉提供导电性。树脂的存在极大的影响了导热性。随着对导电银胶导热性要求的提高,这些常规银胶已经不能满足高散热场合。

因此,国内外各大公司都开始研发低温烧结银胶。其原理是将银烧结到一起,提供导热通路,得到高导热系数。目前市场上广泛使用的导电银胶品牌包括汉高,京瓷,中科纳通等。

 

▲ 主流厂商低温烧结银胶导热率

 

烧结机理

烧结过程

银胶烧结的驱动力是降低表面能/界面能。原子表面由于具有不饱和键,因此具有表面能。表面能随着原子半径的减小而增加。

下图给出了银胶烧结的过程示意图。最初银颗粒存在有机层,随着加热过程有机层去除,银颗粒相互接触,进行烧结。

 

▲ 银粉烧结过程示意图

 

烧结一般可以分为初期、中期和后期,它们之间没有明显界限。

 

■ 烧结初期,颗粒在烧结驱动力的作用下会进行一定的重排,增加接触面积,生成烧结颈(necks),烧结初期一直持续到烧结颈的直径达到颗粒直径的0.4~0.5倍。

 

■ 烧结中期是从孔洞(pores)达到平衡形态(equilibrium shapes)开始的,这一阶段主要是致密化,与最终产物密度的相关性达到97%,因此是烧结过程的主要阶段。

 

■ 最终阶段时孔洞变得不稳定,相互融合产生更大孔洞。下表给出了多晶材料中的烧结机理,只有晶界处和烧结颈的缺陷处的体积扩散(volume diffusion)才能产生致密化。

 

▲ 多晶材料的烧结机理

 

尺寸效应对烧结的影响

 

根据拉普拉斯公式,当2个曲率半径为R1和R2的球形颗粒相接,其烧结驱动力

 

 

其中P0为外加压力,γ为表面能。因此,外加压力越大,颗粒尺寸越小(R小),表面能(γ)越大,烧结驱动力越大。

根据德拜公式:

 

其中Tmb是块状材料的熔点,Tm是材料熔点,D是颗粒直径,δ是与材料相关的数值,在1.80~2.65nm之间。根据报道,对于微米尺度颗粒,Tm=0.5~0.8Tmb,而对于纳米尺度颗粒,Tm=0.1~0.3Tmb。银的熔点Tmb=986℃,因此如果采用纳米银,烧结温度可以在99℃~296℃之间,200度烧结是完全可以达到的。对于微米银,烧结温度高达493℃~789℃。因此,使用纯微米银,需要外加条件,例如压力,以增加烧结驱动力。

 

无压低温烧结银胶

 

随着电子封装产业的迅猛发展,使得市场对大功率半导体器件材料的门槛不断提高。

中科纳通公司致力于研制世界级导电银浆/银胶等电子材料,通过几年潜心研发,打破国外技术壁垒,现已开发出一系列低温烧结银胶产品,适用于功率器件、大功率LED、功率模块的粘接和封装。产品包括半烧结(NT-SA2700)、全烧结(NT-SA2700NR、NT-SA2700NRS)。

 

▲ 中科纳通低温烧结银胶

 

SA2700NRS产品已成功用于大功率LED上。经过深圳第三代半导体研究院测试表明,在其他条件不变的情况下,当LED功率到4w左右时,SA2700NR可使光通量提高10%以上(如下图),显示出优异的散热效果。

 

▲ 亮度曲线

 

作为SA2700NR的增强版本,SA2700NRS的导热系数高达260W/mK,这是目前已知的200℃无压烧结银胶的最高导热系数,下图给出了相应的微谱分析报告。

▲ 微谱检测分析报告