[發(fā)明專利]納米銅焊膏、其制備方法及銅-銅鍵合的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811307559.3
• 申請日: 2018-11-05
• 公開（公告）號: CN109317859B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張兆強;亓恬珂;肖斐
• 申請（專利權(quán)）人: 復旦大學
• 主分類號: B23K35/30
• 分類號: B23K35/30;B23K35/40
• 代理公司: 上海晨皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31260
• 代理人: 成麗杰

本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種納米銅焊膏、其制備方法以及利用該種納米銅焊膏實現(xiàn)銅?銅鍵合的方法。本發(fā)明所提供的納米銅焊膏，以質(zhì)量百分含量計包含納米銅顆粒50～90％，醇胺5～25％，粘度調(diào)節(jié)劑0～45％。使用本發(fā)明所提供的納米銅焊膏進行銅?銅鍵合，不但可降低燒結(jié)溫度，還可避免納米銅顆粒的氧化和團聚；在200℃空氣氣氛中即可完成燒結(jié)并得到具有較高剪切強度的銅?銅互連結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米銅焊膏、其制備方法以及利用該種納米銅焊膏實現(xiàn)銅-銅鍵合的方法。

背景技術(shù)

隨著電子封裝密度的提高和寬禁帶半導體功率器件的迅猛發(fā)展，使用傳統(tǒng)的錫基無鉛焊料進行銅-銅鍵合存在以下缺陷：(1)在工藝過程中焊料會與銅材料形成較厚的金屬間化合物(IMC)層，IMC脆性大，在器件使用過程中易發(fā)生斷裂失效；(2)焊料熔點低，當用于寬禁帶半導體大功率芯片封裝的芯片貼裝材料時，無法適應(yīng)功率器件工作時的高溫環(huán)境。

銀、銅等納米金屬顆粒制備的焊膏是替代錫基無鉛焊料的材料，由于納米顆粒的尺寸效應(yīng)，其可以在較低的溫度下進行燒結(jié)，納米顆粒燒結(jié)后熔點升高，并具備良好的導電導熱性能。其中，納米銅材料具有優(yōu)良的導熱、導電性能，且相對于納米銀材料具有更低的價格和更好的抗電遷移性能。

然而，利用納米銅顆粒實現(xiàn)銅-銅直接鍵合仍面臨許多困難，納米銅顆粒在合成過程中容易團聚，在儲存和燒結(jié)過程中容易氧化，氧化后的銅不僅導電性能變差，而且更難燒結(jié)，造成銅-銅鍵合的導電性能變差、互連強度下降。降低燒結(jié)溫度和提升納米銅材料在燒結(jié)過程中的抗氧化性是實現(xiàn)銅-銅鍵合需解決的主要問題。如能采用納米銅顆粒制備的焊膏實現(xiàn)低溫空氣氣氛下的銅-銅鍵合，將在電子封裝領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。

為避免納米銅焊膏在燒結(jié)過程中的氧化，現(xiàn)有方法有兩種。第一種方法是將整個燒結(jié)過程置于真空環(huán)境或者保護氣氛(如采用氮氣或惰性氣體)中，這樣可降低納米銅材料與氧接觸的可能。但是，無論采用真空還是保護氣氛，都需要燒結(jié)過程在密閉環(huán)境中進行，真空及保護氣體的使用帶來燒結(jié)成本的增加，密閉環(huán)境還會帶來燒結(jié)過程中操作的困難性。第二種方法是使用還原性氣氛，將納米銅表面的氧化銅還原為銅。常用的還原性氣氛為氫氣、氬氫混合氣體、甲酸氣氛等，這些氣體的使用不但提高了燒結(jié)成本，還因使用了易爆氣體(如氫氣)、強腐蝕性氣體(如甲酸氣氛)，存在安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種納米銅焊膏、其制備方法以及利用該種納米銅焊膏實現(xiàn)銅-銅鍵合的方法，以解決現(xiàn)有的納米銅焊膏在空氣氣氛中燒結(jié)易氧化的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施方式所提供的納米銅焊膏，以質(zhì)量百分含量計包含：納米銅顆粒：50～90％，醇胺5～25％，粘度調(diào)節(jié)劑0～45％。

可選地，醇胺可以選自2-氨基乙醇、2-氨基-1-丙醇、2-氨基-1-丁醇、1-氨基-2-丙醇、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、N-甲基二乙醇胺、3-二甲基氨基-1,2-丙二醇、3-二乙基氨基-1,2-丙二醇或2-氨基-2-乙基-1,3-丙二醇等。

可選地，粘度調(diào)節(jié)劑可以選自乙醇、乙二醇、異丙醇、正丁醇、丙酮、丁酮、環(huán)己酮、二丙酮醇、乙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸異丙酯、乙二醇單甲醚、乙二醇丁醚、二乙二醇單甲醚、二乙二醇丁醚和松油醇等中的一種或幾種的混合物。

另外，納米銅顆粒可以是市售或任何一種現(xiàn)有技術(shù)中的方法制備的任何形貌的納米銅顆粒；可以是一種尺寸的納米銅顆粒、也可以是多種尺寸的納米銅顆粒的混合物。并且，本發(fā)明的實施方式所提供的納米銅焊膏具有合適的粘度，具體來說，納米銅焊膏的粘度為50～800Pa·s。