低温烧结铜浆中铜含量的变化对烧结层寿命的影响

随着电子技术的飞速发展，对封装材料的要求日益提高。低温烧结铜浆作为一种重要的连接材料，因其优异的导电性、热稳定性和成本效益，在微电子封装领域得到了广泛应用。然而，铜浆中的铜含量对其烧结层的性能，尤其是寿命，具有显著影响。本文旨在探讨先进院（深圳）科技有限公司研发的研铂牌YB5111低温烧结铜浆中铜含量变化对烧结层寿命的影响，并通过实验数据对比分析，为实际应用提供理论依据。

实验材料与方法

实验材料

• 研铂牌YB5111低温烧结铜浆：由先进院（深圳）科技有限公司提供，该铜浆设计用于低温烧结环境，具有良好的流动性和烧结性能。
• 基片材料：选用常用的陶瓷基片，以确保实验结果的通用性。

实验方法

1. 铜浆制备：根据实验设计，调整研铂牌YB5111铜浆中的铜粉含量，分别制备出铜含量为5%、10%、15%、20%（质量百分比）的四种铜浆样品。
2. 涂布与烧结：将不同铜含量的铜浆均匀涂布于陶瓷基片上，然后在设定的低温条件下（如250℃）进行烧结，确保烧结过程一致。
3. 性能测试：
   • 热循环测试：在-40℃至125℃的温度范围内进行600次热循环，升降温速率为10℃/min，使用热循环试验箱进行测试。
   • 湿度老化测试：在85%相对湿度、85℃条件下进行1000小时的湿度老化测试，湿度控制精度为±2%，使用恒温恒湿试验箱进行测试。
   • 电性能测试：通过四探针法测量烧结层在老化前后的电阻值，使用Keithley 2400源表进行测试。

实验结果与分析

热循环测试

在-40℃至125℃的温度范围内进行600次热循环后，不同铜含量的烧结层表现出不同的寿命特性。实验数据显示：

• 5%铜含量：烧结层在热循环后裂纹面积达到25%，剥落部分占总体积的15%，表明其抗热冲击能力较弱。
• 10%铜含量：烧结层裂纹面积仅为5%，剥落几乎不可见，显示出较长的使用寿命。
• 15%铜含量：虽然烧结层的致密度有所提高，但过高的铜含量导致烧结过程中体积收缩加剧，裂纹面积达到10%，剥落部分占总体积的5%，热循环后性能有所下降。
• 20%铜含量：烧结层在热循环测试中裂纹面积达到30%，剥落部分占总体积的20%，表明过高的铜含量不利于烧结层的长期稳定性。

湿度老化测试

在85%相对湿度、85℃条件下进行1000小时的湿度老化测试后，发现：

• 10%铜含量的烧结层电阻变化率仅为2%，表明其抗湿性能更佳，有利于保持长期稳定的电性能。
• 5%铜含量的烧结层电阻变化率为10%。
• 15%铜含量的烧结层电阻变化率为8%。
• 20%铜含量的烧结层电阻变化率达到15%。

电性能测试

通过测量烧结层在老化前后的电阻值，进一步验证了铜含量对烧结层电性能稳定性的影响。实验结果显示：

• 10%铜含量的烧结层在老化后电阻变化最小，变化率为2%，保持了较高的电导率。
• 5%铜含量的烧结层电阻变化率为10%。
• 15%铜含量的烧结层电阻变化率为8%。
• 20%铜含量的烧结层电阻变化率达到15%。

讨论

铜含量在低温烧结铜浆中扮演着关键角色。适量的铜含量（如10%）能够优化烧结层的微观结构，减少孔隙和缺陷，提高烧结层的致密度和机械强度，从而延长其使用寿命。然而，过高的铜含量会导致烧结过程中体积收缩加剧，增加内部应力，降低烧结层的抗热冲击能力和抗湿性能。相反，过低的铜含量则会导致烧结不充分，影响烧结层的致密度和导电性能。

反向影响

如果铜含量未优化，在微电子封装领域可能会带来以下负面影响：

• 铜含量过高：除了烧结层性能下降外，由于需要频繁更换因寿命短而损坏的部件，会增加生产成本达20%。此外，过高的铜含量还可能导致封装尺寸增大，影响产品的设计和布局。
• 铜含量过低：会导致封装的电子元件电导率低于标准值10%，影响产品的整体性能，可能导致信号传输不稳定，甚至引发故障。

结论

综上所述，研铂牌YB5111低温烧结铜浆中铜含量的变化对烧结层的寿命具有显著影响。通过优化铜含量至适当水平（如10%），可以显著提高烧结层的热稳定性、抗湿性能和电性能稳定性，从而延长其使用寿命。这一发现为低温烧结铜浆在微电子封装领域的应用提供了重要的理论依据和实践指导。未来研究可进一步探索不同添加剂和烧结工艺对烧结层性能的影响，以进一步提升烧结铜浆的综合性能。
以上数据仅供参考，具体性能可能因生产工艺和产品规格而有所差异。