【关键词】纳米银基复合焊料；微观结构；集成电路；焊接性能

引言

近年来，可代替钎焊焊料的纳米铜、纳米银、纳米金等材料成为研究热点，在功率半导体行业也开始推广使用。当这些贵金属材料的颗粒度达到纳米级别时，通常具备较高的表面活性或表面能，其再次烧结合金的温度远低于块体材料，从而使纳米材料的再结晶温度显著降低。同时，这类贵金属材料在烧结后的焊接材料与块体材料具有相同的熔点和性能，实现了低温烧结、高温服役工作的功能。纳米银理论烧结温度可低至150℃，再次熔融温度理论上可达到960℃；烧结后理论热导率可达到300 W/（m·K）以上，实际热导率为200 W/（m·K）。纳米银具有上述优点，可以替代钎焊焊料在功率电子器件焊接工艺中推广应用[1]。

一、纳米银基复合焊料与集成电路焊接相关理论基础

（一）集成电路焊接原理与要求

集成电路焊接就是把电子元件同电路板连在一起的重要工艺，随着集成电路朝着高密度、高性能的方向发展，焊接点的电导率和导热性能就变得很重要。高功率集成电路在工作的时候会发出很多热量，要是不能快速传递和散发掉，就会使焊接点变得很烫，从而影响焊接的效果和电子元件的工作状态[2]。因此，焊接用的材料不但要有好的导电性，还得有很好的导热能力，这样才能保证焊接点在大电流和高温的情况下仍然稳定可靠。而且，焊接材料的湿润度和分散度也会对焊接是否均匀牢固产生影响，这直接关乎集成电路能否长久可靠地工作。

（二）纳米银基复合焊料组成与特性

纳米银基复合焊料是一种新型焊接材料，主要由纳米银颗粒（高导电、低温烧结）、改性碳纳米管（高导热、内部填充银粒子增强导电导热）、环氧树脂/固化剂（机械强度）、助焊剂（润湿、分散）、有机溶剂组成。复合结构具有高导电、高导热、良好的焊接性和机械强度[3]。

（三）复合焊料与集成电路焊接适配性理论

纳米银基复合焊料的微观结构对它在集成电路焊接中的适配性非常重要。纳米银适合高功率电学需求，改性碳纳米管则显著提升了导热性能，有效解决了热量堆积问题。经过氨基化及1，4二（2′，3′环氧丙基）全氟丁烷表面处理之后，碳纳米管的表面张力降低，其分散性和润湿性均得到加强，可以形成均匀的焊接层。这一处理使得接头的导电性、导热性、稳定性和可靠性都得到提升。

二、纳米银基复合焊料微观结构分析

（一）纳米银颗粒的微观结构特征

纳米银颗粒在复合焊料中有着独特的微观结构，它的粒径属于纳米级别，大概在60到150纳米之间，这个范围内的尺寸比较小而且比较均匀。从形状上看，大多呈近似球形或者类球形，这样的形状有利于在焊料中均匀分布，减少团聚情况。在高倍显微镜下观察时，纳米银颗粒表面看起来比较光滑，表面能较高，这就使它在焊接过程中可以在相对较低的温度下发生烧结。在复合焊料体系当中，纳米银颗粒彼此接近却又保持一定距离，从而形成导电通路，给电流传输赋予一条低电阻路径[4]。纳米银颗粒均匀分布还能为整个焊料的机械性能改进奠定基础，提升焊料和被焊接材料之间的结合强度，这对集成电路焊接的导电性能以及机械稳定性起着关键的作用。

（二）改性碳纳米管的微观结构变化

原始的多壁碳纳米管经过一系列的改性之后，微观结构发生了明显的变化。在粗化和活化阶段，经过酸碱的处理之后，碳纳米管的表面被腐蚀，变得粗糙多孔，从而增大了碳纳米管的表面积，为后续的反应提供了更多的活性位点。经过高低浓度银氨溶液的处理，并经历还原处理之后，碳纳米管的内部和表面沉积了银粒子，原本的空心部分被银粒子填充。这不仅显著提升了碳纳米管本身的导电性，还大幅增强了碳纳米管与纳米银的接触及结合效果。