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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
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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，1331.c.om.银河游戏等。
▲ 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。
1331.c.om.银河游戏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)。
▲ 1331.c.om.银河游戏低温烧结银胶
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
