新型纳米银浆烧结行为及其超高导热机理研究

This project will fabricate a new nano silver paste ,which is comprised of multi scale size particles, including both SiC in sub-micrometer size coated with nano silver particles(ranging from 100nm to 200nm) filling and nano silver particle(size 10nm to 50nm). In the first step, the new nano silver paste with high thermal conductivity and high mechanical performance and low sintering temperature will be obtained after optimizing several parameters, such as filling percentages of the SiC particle and silver particle. Usually, sinter voids are bound up with the nano silver particle filling percentage. Secondly, the sintering behavior between different particles will be studied, for example, the behavior between SiC particle and nano silver particle, the sintering behavior between nano silver particle and silver particle. Thirdly, the thermal conducting mechanism of this kind of multi scale nano silver paste will be highly developed with both experiment technology and computing simulation method. Finally, this new nano silver paste's thermal performance and its mechanical performance applied in aerospace electronic products will be further discussed in different severe environment, such as under high temperature condition, and zero gravity and radiation condition in environment.

本项目拟采用多尺度模型，即亚微米级的SiC镀纳米银颗粒(100-200纳米)与纳米银颗粒(10-50纳米)，制备纳米银浆。首先，通过调节SiC颗粒与纳米银颗粒的质量比来控制这种多尺度纳米银浆的填充比，降低烧结孔隙率，在保持纳米银浆的快速低温烧结特性的基础上，提高纳米银浆的热学和机械性能。其次，研究SiC填充的纳米银浆的烧结机理，主要深入研究银纳米颗粒之间，尤其是银纳米颗粒与SiC颗粒镀银层之间的烧结机理。然后，采用实验和计算机仿真相结合的方法研究多尺度纳米银浆导热机理。最后，研究多尺度纳米银浆应用于航天电子产品领域的散热性能和机械可靠性性能，尤其是高温工作环境、失重、辐射条件下，产品的高温服役等综合可靠性能。

随着半导体材料技术的发展，第三代半导体由于其高于600℃的耐温特性，逐渐应用于航天器电子产品中。传统的互连材料，如导电胶、焊料等均无法在如此高的工作温度下起到互连作用。纳米银浆作为新一代电子封装互连材料，由于其低温烧结高温工作的特性成为解决这一问题的不二选择。在第三代半导体器件，尤其是航天电子上的应用中，要求纳米银浆不仅具有优异的力学性能，还需具有较高的导热性及良好的可靠性。本项目在纳米银浆中，加入了微米银颗粒和镀银碳化硅颗粒，制备出了多尺度纳米银浆，并发现当填充颗粒在78-82%之间时纳米银浆互连结构的力学性能最好；并通过研究物料参数和工艺参数对纳米银浆烧结结构力学性能和组织结构的影响，明确了纳米银浆在不同条件下的烧结机理，发现压力对烧结银组织结构的致密化和均匀性的影响大于烧结温度和烧结时间。同时采用分子动力学对纳米银烧结机理进行了研究；通过对多尺度纳米银浆热导率和热膨胀系数的研究，发现少量镀银SiC颗粒的加入能够有效提高纳米银浆的热导率，在加入1.5%SiC颗粒时，烧结银结构的导热率比未添加SiC时增加了两倍以上，同时SiC的加入还降低了热膨胀系数，添加2 wt%镀银SiC颗粒银浆样品的热膨胀系数比没有添加镀银SiC颗粒的银浆样品降低了14%。同时采用有限元方法对纳米银浆在互连结构中的散热情况进行了仿真研究；最后，对多尺度纳米银浆的服役可靠性和宇航用失效机理进行了研究，发现镀银SiC颗粒的加入有效地提高了纳米银浆互连结构的湿热和高温存储可靠性，长期的温度交变环境下会导致纳米银浆互联结构的剪切强度降低，而力学冲击、变频振动和辐照等环境下不会造成银浆剪切强度的降低。通过分析纳米压痕曲线得到纳米银浆的本构特性，并探索了基于寿命模型参数拟合的寿命预测方法。