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低溫燒結銀膠
【摘要】：
大功率半導體器件的散熱解決方案 ：低溫燒結銀膠
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近年來，對于小型化、高功能化的電子零器件(例如功率器件或大功率發光二極管(LED))的需求急速擴大。功率器件作為可抑制電力損耗并高效率地轉換電力的半導體元件，在電動汽車、快速充電器等領域中普及發展。
大功率LED的功率可以達到數十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾千毫安不等。大功率LED光源作為第四代電光源，有“綠色照明光源”之稱，具有體積小、安全低電壓、耗電小、發熱小、壽命長、電光轉換效率高、方向性好、響應速度快、節能、環保等優良特性，必將取代傳統的白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈而成為21世紀的新一代光源。
在如上所述的電子零器件的小型化、高功能化的進展中，半導體元件的發熱量具有增大的傾向。然而，若電子零器件長時間暴露在高溫環境下，則壽命急劇減少。因此，對于芯片粘接材料散熱的要求越來越高。
導電銀膠廣泛應用做芯片粘接材料。
常規的導電銀膠由樹脂、銀粉和助劑構成，其中樹脂的作用是提供粘接力，銀粉提供導電性。樹脂的存在極大的影響了導熱性。隨著對導電銀膠導熱性要求的提高，這些常規銀膠已經不能滿足高散熱場合。
因此，國內外各大公司都開始研發低溫燒結銀膠。其原理是將銀燒結到一起，提供導熱通路，得到高導熱系數。目前市場上廣泛使用的導電銀膠品牌包括漢高，京瓷，中科納通等。
▲ 主流廠商低溫燒結銀膠導熱率
燒結機理
燒結過程
銀膠燒結的驅動力是降低表面能/界面能。原子表面由于具有不飽和鍵，因此具有表面能。表面能隨著原子半徑的減小而增加。
下圖給出了銀膠燒結的過程示意圖。最初銀顆粒存在有機層，隨著加熱過程有機層去除，銀顆粒相互接觸，進行燒結。
▲ 銀粉燒結過程示意圖
燒結一般可以分為初期、中期和后期，它們之間沒有明顯界限。
■ 燒結初期，顆粒在燒結驅動力的作用下會進行一定的重排，增加接觸面積，生成燒結頸（necks），燒結初期一直持續到燒結頸的直徑達到顆粒直徑的0.4~0.5倍。
■ 燒結中期是從孔洞（pores）達到平衡形態（equilibrium shapes）開始的，這一階段主要是致密化，與最終產物密度的相關性達到97%，因此是燒結過程的主要階段。
■ 最終階段時孔洞變得不穩定，相互融合產生更大孔洞。下表給出了多晶材料中的燒結機理，只有晶界處和燒結頸的缺陷處的體積擴散（volume diffusion）才能產生致密化。
▲ 多晶材料的燒結機理
尺寸效應對燒結的影響
根據拉普拉斯公式，當2個曲率半徑為R1和R2的球形顆粒相接，其燒結驅動力
其中P0為外加壓力，γ為表面能。因此，外加壓力越大，顆粒尺寸越?。≧?。?，表面能（γ）越大，燒結驅動力越大。
根據德拜公式：
其中Tmb是塊狀材料的熔點，Tm是材料熔點，D是顆粒直徑，δ是與材料相關的數值，在1.80~2.65nm之間。根據報道，對于微米尺度顆粒，Tm=0.5~0.8Tmb，而對于納米尺度顆粒，Tm=0.1~0.3Tmb。銀的熔點Tmb=986℃，因此如果采用納米銀，燒結溫度可以在99℃~296℃之間，200度燒結是完全可以達到的。對于微米銀，燒結溫度高達493℃~789℃。因此，使用純微米銀，需要外加條件，例如壓力，以增加燒結驅動力。
無壓低溫燒結銀膠
隨著電子封裝產業的迅猛發展，使得市場對大功率半導體器件材料的門檻不斷提高。
中科納通公司致力于研制世界級導電銀漿/銀膠等電子材料，通過幾年潛心研發，打破國外技術壁壘，現已開發出一系列低溫燒結銀膠產品，適用于功率器件、大功率LED、功率模塊的粘接和封裝。產品包括半燒結（NT-SA2700）、全燒結(NT-SA2700NR、NT-SA2700NRS)。
▲ 中科納通低溫燒結銀膠
SA2700NRS產品已成功用于大功率LED上。經過深圳第三代半導體研究院測試表明，在其他條件不變的情況下，當LED功率到4w左右時，SA2700NR可使光通量提高10%以上（如下圖），顯示出優異的散熱效果。
▲ 亮度曲線
作為SA2700NR的增強版本，SA2700NRS的導熱系數高達260W/mK，這是目前已知的200℃無壓燒結銀膠的最高導熱系數，下圖給出了相應的微譜分析報告。
▲ 微譜檢測分析報告
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