2021.09.14

耐热性和热传导性优异的银纳米粒子低温烧结型接合材料 FlowMetal™

TWC向客户发出的讯息

FlowMetal™

近年来,电子设备的发热量变得非常高,因此热量控制不可或缺。在接合材料方面,传统的低熔点焊料难以应对的情况越来越多,要求材料有更高的耐热温度和热传导率。此外,从减少环境负荷的角度来看,也需要无铅并符合RoHS Ⅱ指令等。成本方面也要重视。

阪东化学株式会社的低温烧结纳米银焊浆FlowMetal™是一种接合材料,使用了具有优异耐热性和高热传导性的银纳米粒子。通过应用银纳米粒子技术,可以在低温无加压的情况下进行接合。与高熔点的AuSn焊料相比,可以降低成本。对于逆变器用功率半导体、5G用高频设备、新一代光通信用高输出激光等高发热量设备的接合,发挥出高可靠性。

兼顾200℃以下的低温烧结和高耐热性

FlowMetal™是一种使用银纳米粒子的低温烧结型接合材料,可以同时实现低接合温度和高耐热性。以往用作接合材料的焊料会在熔点熔化进行接合。使用低熔点焊料接合发热量大的设备时,存在接合部温度达到焊料熔点以上并熔化的危险性。像AuSn焊料这样的高熔点材料具有较高的耐热温度,但接合温度必须是高温,因此制约了可以使用的构件。而且因为含金,所以成本较高。

芯片接合视频,阪东化学株式会社
(芯片接合视频,阪东化学株式会社)

由于纳米粒子的低温烧结性这一特点,FlowMetal™可在最低150°C的低温(注1)下烧结并接合。烧结后又会恢复到银固有的熔点(约961℃),发挥出高耐热性。关于热传导率,也通过银烧结接合实现了高热传导性。价格比含金焊料更低廉,并且不含铅,因此既能降低成本又能减少环境负荷。也支持RoHS Ⅱ指令下的使用限制。

以远低于银熔点(961℃)的温度烧结银纳米粒子

近年来,电子设备的高速、高输出化不断推进,发热量也急剧增加。FPGA、GPU等小型高输出IC、GaN、SiC等新一代化合物半导体、大功率LED、5G用高频设备等虽具有高性能,但容易达到高温,导致热控制的难度增加。

为了在高使用温度下还能保证稳定的动作,接合材料也需要具有高耐热性和高热传导性。FlowMetal™具有在高温下运行的各种电子设备所需的足够性能,有助于延长设备的寿命,提高可靠性。

同时实现高耐热性和高热传导性,低温无加压接合

FlowMetal™用表面吸附了分散剂的银纳米粒子和溶剂制成膏状。金属微粒子具有熔点随尺寸变小而降低的特性,而在粒子的烧结进程中,熔点会再次上升。当粒子减小到纳米尺寸时,其特性表现得更加显著,正是利用这一特性,实现了低温烧结和烧结后的高耐热性。

图1 银纳米粒子的尺寸效应

Ph. Buffat, J-P. Borel, Phys. Rev. A 1976, 13, 2287.

图1 银纳米粒子的尺寸效应

使用含银树脂制成的普通导电膏有望具有与含银量相符的热传导性,但由于是通过树脂进行硬化接合,因此可能会因受热而劣化,无法确保耐热性。由于焊料是在熔点进行熔化并接合,耐热性取决于熔点,接合时的温度要高于熔点,因此对待接合的设备产生了制约。如果使用银纳米粒子进行低温烧结接合,对材料的制约就会很少,可以同时实现高耐热性和高热传导性,获得高剪切强度。

金属纳米粒子墨水和浆的材料结构

此外,纳米尺寸的粒子会因为表面积的增加而更活跃,导致烧结性变差,分散性也有所下降。FlowMetal™通过使用最适合的分散剂,具有优异的分散稳定性,可以在溶剂中以分散稳定化的状态提供高浓度(85-97wt%)的银粒子。由于可以低温无加压接合,因此无需准备加压调整的大型设备。点胶机涂布或金属掩模印刷后,进行模具装配,在现有的热风循环炉或回流炉中烧成即可接合。不需要额外的设备投资。还能对铜进行无加压接合(注2)。

为新一代电子设备的接合作出贡献

FlowMetal™具有优异的耐热性和热传导性,可以在最低150°C的低温(注1)下无加压烧结,可广泛用于新一代电子设备的接合。

为新一代电子设备的接合作出贡献

在图像处理、AI分析、自动驾驶等领域也广泛使用的FPGA、GPU等小型高输出IC不能缺少热量控制。GaN和SiC等新一代化合物半导体广泛用于控制电动汽车和自然能源发电等大电力的功率半导体,其动作温度高,同样需要热量控制。新一代光通信用高输出激光器、高亮度大功率LED以及取代汞蒸汽灯的UV LED等光学设备的发热量也会随着输出的增加而增加,需要低温接合且耐高温的接合材料。用于5G等高速通信的高频设备使用频率较高,设备的小型化也不断推进,因此随着普及,热量控制成为了当务之急。

FlowMetal™对高发热量电子设备的高品质化和稳定动作作出重大贡献。

注1:SR9200时
注2:SR9870时

※FlowMetal™是阪东化学株式会社的商标。