[發(fā)明專利]一種可低溫而高密度燒結(jié)的銅膏

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910366417.2
• 申請(qǐng)日: 2019-05-05
• 公開（公告）號(hào): CN109926577B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張衛(wèi)紅;葉懷宇;劉旭;張國(guó)旗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳第三代半導(dǎo)體研究院
• 主分類號(hào): B22F1/00
• 分類號(hào): B22F1/00;B22F3/10
• 代理公司: 北京中知法苑知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11226
• 代理人: 李明

本發(fā)明涉及金屬復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種可用于低溫?zé)Y(jié)并可獲得低孔隙率的銅膏。該銅膏包括：球狀銅顆粒，片狀銅顆粒，片狀銦顆粒和高鏈接樹脂；兩種銅顆粒占比80％以上，銦顆粒占比在10?20％之間，高鏈接樹脂占比在0?10％之間。該銅膏膏體在無壓情況下，燒結(jié)溫度可低到180?250℃左右，燒結(jié)后致密度達(dá)到95％以上。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及金屬復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種可用于低溫低壓燒結(jié)的銅膏制備。

背景技術(shù)

新一代的用于電車、航空、和其他工業(yè)的功率模組需要高功率和高服役溫度。在過去10年證明了寬禁帶半導(dǎo)體可以耐300℃以上的高運(yùn)行溫度。然而，傳統(tǒng)封裝材料，比如錫基的焊料和導(dǎo)電膠，限制在200℃以下工作。研究人員一直在尋找各種辦法獲得高溫和高功率情況下的高可靠性。在過去的探索中，人們發(fā)現(xiàn)金屬中高導(dǎo)電和導(dǎo)電率的銀或者銅的燒結(jié)是有前景的方法。出于成本的考慮，燒結(jié)銅是代替銀燒結(jié)的一個(gè)近幾年一直在嘗試的技術(shù)。但是燒結(jié)銅的相對(duì)高的燒結(jié)溫度還在困擾著半導(dǎo)體封裝業(yè)界。與銀相比，銅雖然具有較高表面能，但其較易氧化，從而表面生成難溶且較低表面能的氧化物。目前很多納米銅顆粒大部分以球形為主，有的甚至在30納米以下也很難達(dá)到互融燒結(jié)，主要問題是銅表面的氧化問題一直存在，而且，隨著銅顆粒尺寸的進(jìn)一步降低，銅表面能增加，金屬原子互擴(kuò)散機(jī)會(huì)增大，但氧化傾向也更為加劇，所以，降低銅燒結(jié)的溫度面臨很大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，燒結(jié)孔隙率也是一個(gè)要考慮解決的問題，因?yàn)榭紫稌?huì)減少導(dǎo)熱能力，也會(huì)降低燒結(jié)點(diǎn)的可靠性。

文獻(xiàn)“Development of Die Attachment Technology for Power IC Module yIntroducing Indiuminto Sintered Nano-Silver Joint”，2017 IEEE 67th ElectronicComponent and Technology Conference中記載了：銦箔添加在銀燒結(jié)材料中會(huì)降低銅基體在使用和服役中的氧化，而器件可靠性也得到大大提升，可能因?yàn)镃u-In金屬間化合物的阻擋。同時(shí)，低熔點(diǎn)的銦會(huì)在156℃融化，填充在孔隙之間幫助提升燒結(jié)體的致密度。低熔點(diǎn)的銦同時(shí)可以進(jìn)一步促進(jìn)鍵合形成溫度的降低，微顆粒銅與銦形成的全Cu-In金屬間化合物具有高熔點(diǎn)，可滿足燒結(jié)體鍵合點(diǎn)的高服役溫度要求，并且可靠性也很好。

事實(shí)上，業(yè)界的導(dǎo)電銀膠就是用片狀銀粉作為填料，這是因?yàn)閷?dǎo)電時(shí)銀粉相互間是面接觸，所以片狀銀粉較之球狀銀粉的點(diǎn)接觸的電阻要低很多。因此，使用片狀銀粉，一方面可以節(jié)約銀粉用量，另一方面可以減少涂層的厚度，有利于電子元器件的小型化；此外，當(dāng)片狀銀粉和球狀銀粉混合時(shí)，球狀銀粉交疊在片狀銀粉間，可以提高單位面積的銀含量，從而進(jìn)一步降低電阻率，提高導(dǎo)電性。在2018年授權(quán)的US9875983B2中，銦泰公司針對(duì)無壓燒結(jié)納米晶體的理論計(jì)算提出了兩種尺寸的搭配，尺寸限定N類型(1-100nm)和M類型(0.1-1000μm)。他們針對(duì)球、片、和棒三種形狀顆粒做實(shí)驗(yàn)證明：片狀顆粒可以提供最大的填充率、導(dǎo)熱導(dǎo)電率和剪切力。

片狀銅粉制備方法主要有機(jī)械球磨法、溶液還原法和超聲輔助法等。其中溶液還原法由于操作簡(jiǎn)便，設(shè)備要求低且產(chǎn)物片狀銀粉純度高、性能好而成為目前常用也是最具潛力的制備方法之一。專利CN107405691A提供了一種容易控制銅顆粒形狀和尺寸的溶液還原方法。

目前，銅膏的制作大多用單一球形顆粒來配制。有關(guān)一種以上(銅)金屬顆粒搭配的相關(guān)專利有如下：美國(guó)阿爾法公司申請(qǐng)的CN106457383A，限定了關(guān)于兩類型金屬顆粒搭配成為低壓力燒結(jié)粉末，它將兩種顆粒尺寸和比重限定在一定范圍，另配有多種封端劑的情形。但其中，大顆粒占少數(shù)。另一個(gè)只針對(duì)銅顆粒的Intrinsiqu專利申請(qǐng)US2014/0287158A提出：具有銅片的混合物 1.0-8.0微米之間的平均直徑和納米銅粒子的具有平均直徑從10納米至100納米，其中，所述比率的銅片對(duì)納米顆粒為2:1和5:1重量％之間。

發(fā)明內(nèi)容