黄保华，刘东静，陈俊宇，胡鸿铭，贠明辉
桂林电子科技大学 机电工程学院 广西 桂林 541004
摘要：为了满足高温环境下电子器件可靠性的要求，寻求在电子封装产品中传热性能良好的复合材料，本文采用液相还原法对纳米银/石墨烯复合材料制备方法和烧结工艺进行实验研究，研究不同含量比例下纳米银和石墨烯的最佳配比以及分析不同材料的烧结工艺最佳水平组合，建立纳米银/石墨烯的工艺参数体系。
关键词：纳米银/石墨烯；液相还原法；烧结工艺
1.引言
热界面材料传递热量的能力成为电子封装中研究的重要问题之一。石墨烯具有高电子迁移率、热导率、机械刚度等优异性能，因此石墨烯复合材料有望成为电子器件热界面的候选材料。
许多高校对纳米银烧结开展初步的研究，如清华大学，天津大学等。由于纳米银颗粒的低温烧结特性，纳米银已经被广泛应用于电子领域，如低温连接工艺、喷墨印刷技术。C.P. Wong发现纳米银颗粒的表面化学物对纳米银的低温烧结起着重要作用[1]。Fullr基于纳米银和金焊膏的喷墨式技术，发现当烧结温度低至300°C可以获得导电率高的金属线路[2]。3D喷墨印刷技术中，通过在微米银墨中添加纳米银颗粒和粘接剂，由于添加的纳米银颗粒能在低于300C条件下烧结并连接微米银，因此微米银浆的烧结性能和力学行为得到提高。Bell [3]制备一种含有纳米尺度和微米尺度混合银颗粒制备的银焊膏，通过测量电导率的方法评估操作温度低于250°C的烧结工艺。因此，本文拟制备纳米银/石墨烯复合材料，分析热学特性探索最佳烧结工艺参数。
2.实验制备方法
2.1制备氧化石墨烯水溶液和还原液
准备多层氧化石墨烯、去离子水，电子天平称取三份相同份额的氧化石墨烯备用，乙二醇做还原液备用，分别装上50ml、100ml、150ml去离子水；将三份氧化石墨烯分别倒入装有去离子水的容器中，在常温条件下进行磁力搅拌，搅拌速度范围为200-500rpm，搅拌时间为30-60min，直至氧化石墨烯能在去离子水中稳定分散；设定超声波功率为100W，把制得的溶液进行室温超声清洗30-60min，从而得到稳定分散的氧化石墨烯水溶液。
2.2制备纳米银/石墨烯复合材料
实验材料准备阶段，将前期制备的氧化石墨烯水溶液，还原液，纳米银颗粒，硝酸银水溶液等材料备用。首先将纳米银颗粒进行预处理，在真空冷冻干燥机中干燥3-5h；然后将处理过的纳米银颗粒分成三组分别加入已制备好的氧化石墨烯水溶液中，在室温下用磁力搅拌机进行搅拌，搅拌速率为400-500rpm，使得纳米银颗粒与氧化石墨烯水溶液充分混合；然后在混合溶液中加入乙二醇，低温环境下进行搅拌和超声震荡，从而得到分布均匀的纳米银/石墨烯体系溶液。
使用PH试纸测试溶液的PH值，在室温的环境下采用Hot Disk热常数分析仪测试体系悬浮液的热导率和热扩散率。然后将制得的溶液通过真空蒸发，去掉多余有机溶剂，得到均匀混合的纳米银焊膏。对纳米银/石墨烯焊膏进行热重曲线分析，分析焊膏中各组成成分的含量及其分解挥发温度，以制定焊膏的烧结工艺，最后将制备的纳米银焊膏置于5℃下密封保存。
3.烧结工艺过程研究
准备制备好的纳米银焊膏，贴片LED和PCB印制板。选择烧结温度、时间、压力三个主要因素作为应力因子，选择三个应力水平，烧结温度分别为150℃、200℃和250℃，保温时间分别设为5min、10min和20min，压力分别设为1Mpa、2Mpa和5Mpa。将LED器件与基板三种封装材料的热导率和剪切应力进行测试，分析不同材料的烧结工艺最佳水平组合。
使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察其烧结过程。首先粒子在烧结驱动力的作用下相互接触，引起收缩而开始形成烧结颈，并不断长大，此时烧结体收缩不明显；然后焊膏的晶界增大，原本稳定存在的孔洞会逐渐变形、缩小且变得不稳定，使得连续的孔洞结构也逐渐变成彼此孤立的小孔，焊膏高度致密化，这个时候焊膏密度增大，占总体的93%以上，但是孔隙还未闭合；最后焊膏的孔隙闭合，收缩。测试分析过程中采用透射电镜更细致的观察样品的特征，并进行定性分析。
4.结论
通过热相化学还原方法来制备纳米银/石墨烯复合材料，采用扫描电镜观察烧结焊膏的形貌并进行分析。本实验选择烧结温度、时间、压力三个主要因素作为应力因子，每个因素选择三个应力水平，烧结温度、保温时间、压力，对LED器件与基板三种封装材料的热导率和剪切应力进行测试，分析不同材料的烧结工艺最佳水平组合，获得纳米银/石墨烯的工艺参数体系。
参考文献：
[1]Zhang R,, Moon K, Wong C. P. et al, Preparation of highly Conductive Polymer Nanocomposites by Low Temperature Sintering of Silver Nanoparticles, Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(10): 2018 ~2023.
[2]Fuller S.B, Wilhelm EJ, Jacobson J.M, Ink-jet printed nanoparticle microelectromechanical systems, Journal of Microelectromechanical Systems, 2002, 11(1): 54-60.
[3]Bell N.B., DiAntonio C.B., Dimos D.B., Development of conductivity in low conversion termperature silver pastes via addition of nanoparticles, Journal of Materials Research, 2002, 17(9): 2423-2432.
作者简介：
黄保华（1998.05），男，汉族，广西贵港人，本科生，桂林电子科技大学机电工程学院 电子封装技术，研究方向：电子器件散热材料。
刘东静*（1986.03），女，汉族，河南周口人，博士学位，桂林电子科技大学机电工程学院 电子封装技术系讲师，研究方向：电子器件可靠性。
陈俊宇（1997.12），男，壮族，广西贵港人，本科生，桂林电子科技大学机电工程学院 电子封装技术，研究方向：电子器件散热材料。
胡鸿铭（1998.10），男，汉族，广西贵港人，本科生，桂林电子科技大学机电工程学院 电子封装技术，研究方向：电子器件散热材料。
贠明辉（1992.01），男，汉族，河南许昌人，在读博士生，桂林电子科技大学机电工程学院，研究方向：功率器件热设计。
本论文由2019年广西高校大学生创新创业项目《纳米银/石墨烯复合材料制备及其烧结工艺研究》支持（项目编号：201910595110）；同时感谢中国博士后科学基金第60批面上资助项目：电子封装用纳米银/石墨烯复合材料烧结工艺研究（资助编号：2016M601729）的支持。