[發明專利]一種表面進行抗氧化保護的銅顆粒的形成方法、低溫燒結銅膏及使用其的燒結工藝

有效

• 申請號: 201910455890.8
• 申請日: 2019-05-29
• 公開（公告）號: CN110125386B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 張衛紅;劉旭;敖日格力;葉懷宇;張國旗
• 申請（專利權）人: 深圳第三代半導體研究院
• 主分類號: B22F1/102
• 分類號: B22F1/102;B22F3/10;H01L23/488;H01L21/60
• 代理公司: 北京華創智道知識產權代理事務所(普通合伙) 11888
• 代理人: 彭隨麗

本發明涉及一種表面進行抗氧化保護的銅顆粒的形成方法、低溫燒結銅膏及使用其的燒結工藝。一種表面經抗氧化保護的銅顆粒的形成方法用以降低銅顆粒的表面氧化，其中，利用有機可焊接保護劑對銅顆粒的表面進行修飾，以對銅顆粒表面進行抗氧化性保護，該有機可焊性保護劑利用間硝基苯磺酸鈉而附著于銅顆粒的表面。

技術領域

本發明涉及一種特別是用于半導體封裝材料領域的、表面進行抗氧化保護的銅顆粒的形成方法、低溫燒結銅膏及使用其的燒結工藝。

背景技術

新一代的用于電車、航空、和其他工業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體可以耐300℃以上的高運行溫度。然而，傳統封裝材料，比如錫基的焊料和導電膠，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，人們發現銀或者銅的燒結是有前景的方法。出于成本的考慮，燒結銅是代替銀燒結的一個近幾年一直在嘗試的技術。但是燒結銅的相對高的燒結溫度還在困擾著半導體封裝業界。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，銅表面的氧化是阻礙燒結溫度降低的主要原因之一(非專利文獻1-3)，而且，隨著銅顆粒尺寸的進一步降低，銅表面能增加，金屬原子互融機會增大，但氧化傾向更為加劇，所以，通過減少銅表面氧化從而降低銅顆粒燒結溫度是很有必要的。

現有技術文獻

非專利文獻1：Jang E-J,Hyun S,Lee H-J,Park Y-B,J.Electron Material2009；38:1598

非專利文獻2：Suga T.ECS Transaction 2006；3(6):155

非專利文獻3：Tan CS,Chen KN,Fan A,Reif R.J.Electron Material 2004；33:1005

發明內容

發明所要解決的課題

如上所述，與銀相比，銅通常即使在室溫下也容易被氧化，當制備成顆粒狀的分散體時，在其表面上短時間內就形成了氧化物膜，并且氧化從其表面到內部連續進行。尤其在銅顆粒具有較小粒徑例如納米級粒徑時，其表面積相對增加，并且具有形成于其表面上的氧化物膜的厚度傾向于增加。在將這種表面具有氧化物膜的銅顆粒用于銅膏時，只能實現銅顆粒之間的部分燒結且在顆粒邊界殘殘留有薄的銅氧化物層，而且，特別是在低溫下難以實現銅顆粒之間的彼此熔融和/或擴散，從而導致燒結效率低，并且難以得到有優異的接合強度和致密性的燒結產物層。

用于解決課題的手段

在本發明中，提供一種表面經抗氧化保護的銅顆粒的形成方法用以降低銅顆粒的表面氧化，其中，利用有機可焊接保護劑(OSP，Organic Solderability Preservatives)對銅顆粒的表面進行修飾，以對銅顆粒表面進行抗氧化性保護，該有機可焊性保護劑利用間硝基苯磺酸鈉(m-nitrobenzene sulfonate sodium salt，NBS)而附著于銅顆粒的表面。該有機可焊接保護劑可以為苯并三氮唑(BTA)、咪唑(IM)、苯并咪唑(BIM)中的至少一種。

本發明還提供低溫燒結銅膏及使用該低溫燒結銅膏的燒結工藝，該低溫燒結銅膏包含上述的銅顆粒和助焊劑。通過使用這樣的低溫燒結銅膏，能夠在低溫(例如約180-250℃) 實現固化，實現銅顆粒的燒結，獲得低溫燒結且得到致密結構的封裝結構，并且能夠以無壓燒結實現銅顆粒的低溫燒結。

附圖說明

圖1的a是示出OSP膜保護前的銅顆粒，圖1的b是示出OSP膜保護后的銅顆粒。

圖2是示出將包覆的銅顆粒與助焊劑混合的狀態的圖。

附圖標記說明

1,3…銅顆粒