纳米银纸及其制备方法和应用

本发明属于电力电子功率模块（igbt模块、整流模块）封装领域，涉及纳米银纸及其制备方法和应用，尤其涉及一种功率芯片、大尺寸基板和散热器等功率半导体器件的封装互连用纳米银纸的制备方法及应用。

背景技术：

1、随着电力电子功率模块的集成化越来越高，功率器件的电流密度更大，整体器件的发热密度日益增加，对器件的散热性能和服役可靠性要求越来越高，对于热界面材料提出了更高的要求。传统的sn基钎焊合金熔点一般低于250℃，而以sic为代表的第三代新型功率半导体芯片可在250℃以上温度持续工作，故sn基焊料完全不满足第三代半导体高温高频的工作环境，严重影响其服役可靠性。纳米银膏使用工艺要求高，影响功率器件的封装效率；纳米银膜太薄易碎不适合大尺寸基板的封装。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，特别针对现有技术中sn基焊料性能不足、纳米银膜和纳米银膏工艺适应性及使用性能不足的技术问题，提供一种具有纸张性状、厚度适宜、具有一定抗拉强度且可机械裁剪的纳米银纸及其制备方法和应用。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

3、一种纳米银纸的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）将银纳米线母液进行稀释，得到银纳米线分散液；

5、（2）将所述银纳米线分散液在0.05mpa～0.2mpa的负压下固液分离至膏状，然后在0.1mpa～1mpa的正压下固液分离至无液体滴出，得到湿态纳米银纸；

6、（3）将湿态纳米银纸进行漂洗以提纯，得到纯净态纳米银纸；

7、（4）将纯净态纳米银纸进行真空干燥，然后在120℃～150℃温度、3mpa～5mpa压力下进行低温热压，得到纳米银纸。

8、上述的纳米银纸的制备方法，优选的，步骤（1）中，所述稀释剂为水、醇类溶剂和烷烃类溶剂中的一种或多种，所述水包括去离子水，所述醇类溶剂包括无水乙醇、正丙醇和异丁醇中的一种或多种，所述烷烃类溶剂包括正己烷和环己烷中的一种或两种；所述银纳米线分散液中银纳米线的浓度为1g/l～5g/l，银纳米线的直径为10nm～200nm，银纳米线的长度为1μm～50μm。

9、上述的纳米银纸的制备方法，优选的，步骤（2）中，所述银纳米线分散液在负压下固液分离时液面无扰动。

10、上述的纳米银纸的制备方法，优选的，步骤（3）中，所述漂洗为采用酸碱类溶液、水、醇类溶剂各漂洗2次～10次。

11、上述的纳米银纸的制备方法，优选的，步骤（4）中，所述真空干燥的温度为40℃～80℃，所述真空干燥的时间为5min～10min，所述低温热压的时间为1min～5min。

12、作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的纳米银纸的制备方法制得的纳米银纸。

13、上述的纳米银纸，优选的，所述纳米银纸的厚度为60μm～300μm，面密度为150g/m2～900g/m2，密度为0.5g/cm3～3g/cm3，所述纳米银纸的厚度波动＜5%，密度波动＜5%，抗拉强度为2mpa～5mpa，杂质含量＜0.7%。

14、作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的制备方法制得的纳米银纸或者上述的纳米银纸在电力电子功率器件封装中的应用。

15、上述的应用，优选的，所述应用包括大面积芯片与基板之间的封装互连、超大尺寸基板与散热器之间的封装互连中的一种，所述大面积芯片为长≥10mm且宽≥10mm的方形芯片或直径≥10mm的圆形芯片，芯片包括si基芯片、gaas芯片、inp芯片/gan或sic芯片，所述超大尺寸基板的长≥40mm或宽≥40mm，所述超大尺寸基板包括超大尺寸金属基板、超大尺寸覆铜陶瓷基板或超大尺寸金属陶瓷复合基板。

16、上述的应用，优选的，所述封装采用热压封装工艺实施，所述热压封装工艺为温度180℃～300℃、压力10mpa～20mpa条件下热压3min～10min，热压封装后，纳米银纸界面层的热导率＞260w/(m·k)，孔隙率＜5%，界面结合强度为60mpa～100mpa，界面热阻＜1.5mm2·k·w-1。

17、本发明中，银纳米线母液可采用醇热法制备，为现有工艺，银纳米线也可商业购买。

18、本发明中，纳米银纸为一种新型热界面材料，新型热界面材料纳米银纸可实现低温封装互连（热压工艺温度180～300℃）、高温服役（理论服役温度可达700℃以上），具有一定的强度可机械裁剪和转移，工艺过程简单高效，因此特别适合大功率大尺寸高服役可靠性器件的封装。该纳米银纸可批量化生产，主要用在高效电能转换和超高电压控制的柔性电压直流输电、轨道交通、新能源汽车、相控阵雷达等领域的电力电子功率器件（igbt模块、整流模块等）封装中，包括大面积si、sic等芯片（≥10×10mm）与超大尺寸（如≥40×40mm）铜、钼等金属基板、覆铜陶瓷基板或陶瓷金属复合板和散热器间的封装互连中。

19、本发明制备的纳米银纸具有类似纸张的性状，有一定的强度可机械裁剪，制备工艺简单，生产效率高，批次稳定性强，可批量化生产，良品率高，膜层厚度及密度均匀可控，可实现低温封装互连和高温服役。

20、与现有技术相比，本发明的优点在于：

21、（1）性能优势：传统sn钎料结合强度一般约为30mpa，且熔点低，在功率模块封装中高温可靠性不满足要求。本发明的新型热界面材料纳米银纸热压封装后界面层接近致密的块体银结构，界面结合强度在60～100mpa，高温服役可靠性更好。

22、（2）封装互连工艺优势：

23、传统sn钎料的焊接需要在高真空度、低氧含量的条件下进行，条件苛刻。纳米银膏需用点胶和高精度的装配工艺实现芯片与基板、散热器间的对位，设备均为进口，成本高昂，且纳米银膏中含有溶剂和有机粘接剂，为得到致密的烧结结构，需要低温长时溶剂挥发、高温排胶和烧结致密的过程，工艺控制复杂，效率低。纳米银膜很薄，仅有40～60μm，对大尺寸基板和散热器的表面平整度和配合度及封装工艺过程要求极高，且热压封装后界面的组织分布均匀性很难保证，严重影响其服役可靠性，且纳米银膜由纳米银颗粒组成，极其易碎，需要专门的进口设备实现银纸的裁剪和转移，成本高，后期维护保养费高。

24、本发明的新型热界面材料纳米银纸厚度适宜，可在60～300μm范围内调节，具有一定的强度，可机械裁剪，可手动转移，对于各种大尺寸芯片、基板和散热器的封装均适合，对器件的表面平整度和器件间的配合度要求不苛刻，且纳米银纸为纯净的纳米银线，具有低熔点效应，整个封装过程可在有氧环境下进行，热压时间3～10min即可，封装高效快捷。

25、（3）制备工艺优势：

26、纳米银膏和纳米银膜制备过程中均需要添加溶剂和有机粘接剂，原料的选择很关键，且纳米银膜采用流延方法制备，需要进口流延机才能保证银膜的厚度均匀性，流延后需要长时排胶。

27、本发明的新型热界面材料纳米银纸采用国产设备即可制备完成，只需在负压和正压的双重外力作用下即可制备厚度波动极小、批次稳定性良好的纳米银纸，制备工艺简单，成本低。

28、（4）存放工艺优势：

29、纳米银膏由纳米颗粒制备而成，存放过程中纳米银颗粒极易团聚影响后期的点胶性能和使用性能，其必须在-40℃～-20℃条件下存放，且使用前需长时回温。而纳米银纸为单一干态物质，可在室温有氧环境下长时存放且不影响性能。