氮化铝陶瓷用银浆的研制.pdf
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1、目前氮化铝陶瓷银浆存在的主要问题是附着力低。笔者研究了玻璃化学成分、添加剂及银粉对氮化铝陶瓷银浆性能的影响。结果表明,在玻璃原材料里加入适量的白砂糖,在高温熔炼玻璃时,白砂糖将玻璃中的二氧化钛部分还原成金属钛,是氮化铝陶瓷银浆附着力提高的关键措施。优化配方使用混合银粉,加入添加剂,选用合适配方的玻璃粉,所得银浆料的印刷性能、方阻、附着力与焊料的润湿性及耐焊性等各项指标符合要求。关键词 氮化铝陶瓷 银浆 附着力 玻璃 银粉 添加剂中图分类号:TM 2 4 1,T G 1 4 6.3+2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 2-2 8 7 2(2 0 2 3)0 9-0 0 2 9-0 5D e
2、 v e l o p m e n t o fS i l v e rP a s t e f o rA l u m i n u mN i t r i d eC e r a m i c sW a n gJ i n g1,L iH o n g j i e2,J iL i a n g j u n1(1X i a nC h u a n g l i a n h o n g s h e n gE l e c t r o n i cC o.L t d,X i a n,7 1 0 0 6 5,C h i n a)(2X i a nC h u a n g l i a nP h o t o e l e c t r i
3、 c i t yN e w M a t e r i a lC o.L t d,X i a n,7 1 0 0 6 5,C h i n a)A b s t r a c t:L o wa d h e s i o n i s t h em a i np r o b l e mi ns i l v e rp a s t eo f a l u m i n u mn i t r i d e c e r a m i c s.T h e e f f e c t so f g l a s s c h e m i c a l c o m-p o s i t i o n,a d d i t i v e sa n d
4、s i l v e rp o w d e ro nt h ep r o p e r t i e so fs i l v e rp a s t eo fa l u m i n u mn i t r i d ec e r a m i c sw e r es t u d i e d.T h er e-s u l t ss h o w t,a d d t h e r i g h t a m o u n t g r a n u l a t e ds u g a r t o t h e r a wg l a s sm a t e r i a l,w h e ng l a s s i sm e l t e
5、da t h i g h t e m p e r a t u r e,t h et i t a n i u md i o x i d ep a r to f t h eg l a s s i sr e d u c e dt ot i t a n i u m,I t i st h ek e ym e a s u r et oi m p r o v et h ea d h e s i o no fs i l v e rp a s t eo fA l Nc e r a m i c s.O p t i m i z e t h e f o r m u l au s i n gm i x e ds i l
6、 v e rp o w d e r,a d dt h ea d d i t i v e,c h o o s et h er i g h t f o r m u l ao fg l a s sp o w-d e r,T h es i l v e rp a s t ep r i n t a b i l i t y,s h e e t r e s i s t i v i t y,a d h e s i o n,w e t t a b i l i t ya n ds o l d e r i n gr e s i s t a n c ea r ea l lm e e t t h er e q u i r
7、 e-m e n t s.K e yw o r d s:A l u m i n u mn i t r i d ec e r a m i c s;S i l v e rp a s t e;A d h e s i v e f o r c e;G l a s s;S i l v e rp o w d e r;A d d i t i v ea g e n t 传统的厚膜混合集成电路和陶瓷电子元器件用的导体银浆是建立在氧化物陶瓷基础之上的,比如厚膜混合集成电路用的陶瓷基板在国内主要是9 6%氧化铝陶瓷1,陶瓷电子元器件如压敏电阻主要用的是氧化锌电子陶瓷2,陶瓷电容器主要是钛酸钡陶瓷3,磁性元件主要用的是
8、铁氧体陶瓷4,玻璃釉电位器和玻璃釉电阻器用的主要是9 6%氧化铝片状、棒状或管状陶瓷5。这些元器件用的银浆技术是成熟的,用的玻璃和添加剂主要是针对氧化物陶瓷的粘接。近年来,随着大功率电路和大功率电子元器件的应用需求,需要比氧化铝陶瓷更高热导率且环保的基体,由于氮化铝陶瓷热导率高,基本是9 6%氧化铝陶瓷的1 0倍;热膨胀系数与单晶硅接近;氧化铍陶瓷虽然热导率高,但原材料与生产工艺不环保,而氮化铝陶瓷无毒无害,符合人们的环保要求;氮化铝陶瓷的绝缘性能、抗折强度及介电性能与9 6%氧化铝陶瓷接近。故氮化铝陶瓷成为大功率器件及其封装的首选材料6。传统的氧化物陶瓷银浆里用于粘接的玻璃,在2 0 1 0
9、年之前主要是高铅玻璃粉,2 0 1 0年之后主要是铋酸盐玻璃粉。不论是高铅玻璃粉还是高铋玻璃粉,用于氮化铝陶瓷银浆里,均会与氮化铝陶瓷发生反应,导致氮化铝陶瓷表面氮化铝发生分解,产生气泡。目前,用于氮化铝银浆的玻璃粉,主要有2个材料体系:一是锌硼硅材料体系7;另一个是钙硼硅材料体系8。这2个材料体系热膨胀系数都比较小,与氮化铝不发生反应,是单纯机械粘接,银层表面光滑致密,存在问题是附着力不够高。为了解决氮化铝陶瓷银浆附着力问题,有2种解决方案:将氮化铝陶瓷表面氧化,生产氧化铝薄膜。该方案存在问题是工艺较麻烦,需要提前对氮化铝陶瓷预氧化,氧化层的厚薄一致是关键;9在银浆玻璃里加入能与氮化铝陶瓷表
10、面的氮离子形成化学键的物92(研究与开发)2 0 2 3年0 9月 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss *作者简介:王靖(1 9 6 9-),硕士研究生,工程师;研究方向为电子材料的研制与生产工艺。李宏杰(1 9 6 8-),教授级高级工程师;研究方向为电子材料的研制与生产工艺。质,从而提高银层与氮化铝基体的附着力。在氮化铝陶瓷金属化钎焊中,金属钛原子是氮化铝陶瓷金属化的关键元素,如银铜钛焊料,没有钛原子时,附着力明显不够,无法实用化,一旦含有钛原子,附着力明显提高,达到实用化程度1 0。目前市场上供应的钛粉,最细是3 2 5目,由于颗粒太粗,在银浆烧结温度下无法与氮化
11、铝陶瓷表面的氮离子发生反应,形成不了牢固化学键。为了解决目前氮化铝陶瓷银浆附着力问题,笔者采用钡硼酸盐玻璃,在配方里加入适量二氧化钛和白砂糖,在高温熔炼时,白砂糖分解,产生碳原子,对二氧化钛进行还原,产生钛原子。该玻璃粉里面的一部分金属钛,在银浆烧结温度下可以与氮化铝陶瓷表面的氮原子产生化学反应,形成牢固化学键,从而达到提高附着力的目的。1 实验1.1 实验材料及仪器1 1实验所用乙基纤维素、银粉、添加剂及氮化铝陶瓷基板均为购自不同厂家的市售原料,玻璃粉为自制。三辊研磨机(上海第一化工机械厂S 1 5 0型)用于银浆制备;烧结炉(洛阳新奇电炉厂K S J-1 4 0 0型)用于银浆烧结;数显粘
12、度计(上海天平仪器厂N D J-8 S N型)用于测定粘度;刮板细度计(天津金孚伦厂Q X D-5 0型)测定浆料细度(05 0m);低阻计(常州同惠仪器厂TH 2 5 1 2型)测定银层电阻;拉力机(苏州凯特尔仪器设备有限公司K-L S 2 0 0型)测定焊点拉力;显微镜(上海光学仪器六厂X S P-3 6 X L型)用于银层表面观察。1.2 银浆制备1 21.2.1 条件试验(1)银粉。对不同厂家生产的银粉进行配比,制备银浆,烧结,用4 0倍显微镜观察银层致密度。(2)玻璃粉。选择不同配方、不同化学成分的玻璃粉,制备银浆,烧结,测试氮化铝陶瓷基板附着力。(3)选择合适成分的玻璃粉。不同的添
13、加剂,制备银浆,烧结,测试附着力与焊料润湿性及耐焊性。1.2.2 浆料制备和烧结(1)制备。在上述试验基础上,选择最佳银粉配比、玻璃及添加剂,用三辊研磨机研磨1 0遍,制备银浆,测试浆料性能。(2)烧结。将上述制备的银浆样品,用2 0 0目不锈钢丝网印刷在厚度为1.0mm的氮化铝陶瓷基板上,在1 5 0时干燥1 01 5m i n后,进炉烧结。烧结峰值温度是8 5 0,保温时间为1 0m i n。烧结周期为6 0m i n。1.3 测试1 21.3.1 银浆性能测试(1)粘度。用数显粘度计测定粘度,使用4号转子,转速为0.3 r/m i n。(2)印刷性能。用2 0 0目不锈钢丝网。(3)细度
14、。用05 0m刮板细度计测浆料细度。1.3.2 银层性能测定(1)氮化铝陶瓷银浆的方阻。制备条形图案的不锈钢丝网,在7 0mm1 5mm的氮化铝瓷片上印制银浆,在8 5 0烧结温度下保温1 0m i n,烧结周期为6 0m i n,冷却到室温,用低阻计测定阻值,测量出线条的长度,阻值除以长度,即得方阻。(2)附着力。在氮化铝陶瓷基板上印刷2mm2mm银浆图案,烧结后用锡铅焊料焊接直径为1mm的镀锡铜引线,用拉力机测定焊点拉力。(3)银层与焊料润湿性能。焊接时,肉眼观察银层是否易焊接。(4)银层致密性。用4 0倍显微镜观察银层表面,观察是否有空隙。(5)耐焊性。将印刷烧结银浆后的氮化铝陶瓷基板浸
15、在2 3 02 4 0锡锅里45s,取出,肉眼观察银层的完整性。之后,用烙铁去除焊点,重新焊接,如此3次,观察焊点银层是否完整,附着力是否满足要求。2 结果与讨论2.1 银粉的型号规格对银层致密度的影响氮化铝陶瓷做成的器件是个功率器件,工作时温度较高。它需要银层颗粒堆积致密,不能有空洞、气泡等缺陷,否则在器件工作时,银层电流密度不均匀,导致在缺陷处温升过高,出现亮点、打火,引起电极烧毁。这就要求银粉颗粒要有良好的粒度及颗粒级配。文献1 3 的研究指出:颗粒细小,比表面积大的银粉制备的银浆致密平整,耐大电流冲击能力良好。笔者参照文献2,选用2种银粉,一种为类球形(Q-A g),另一种为亚微米不定
16、形(B-A g)。其性能指标见表1。03 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss (研究与开发)2 0 2 3年0 9月表1 两种银粉的性能指标检验项目测定方法Q-A g技术指标B-A g技术指标松装密度G B/T1 4 7 9.22.9 6g/c m31.9 2 g/c m3振实密度G B/T5 1 6 26.0 5g/c m32.7 3g/c m3平均粒径2 0 0 0 Z D激光粒度仪0.9 8m0.2m粒度分布2 0 0 0 Z D激光粒度仪/mD1 0,D5 0,D9 0,D9 90.4 4,0.9 2,1.6 2,2.4 0D1 0,D5 0,D9 0-比表面积
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