[發(fā)明專利]一種用于功率器件封裝的多尺度Cu@Ag微納米復(fù)合釬料及制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911105304.3
• 申請(qǐng)日: 2019-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN110814569A
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉洋;馬文友;李科;李世朕;肖男;孫鳳蓮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K35/02
• 分類號(hào): B23K35/02;B23K35/362
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種用于功率器件封裝的多尺度Cu@Ag微納米復(fù)合釬料及制備方法，包括Cu@Ag核殼包覆顆粒制備、各尺度Cu@Ag配比、助焊劑制備、復(fù)合釬料制備。通過液相還原法制備納米與微米級(jí)Cu@Ag核殼包覆材料，平均粒徑為50nm、5μm、20μm，依照Dinger?Funk球形顆粒堆積公式計(jì)算構(gòu)成復(fù)合釬料的混合粉末中納米包覆材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)確定兩種微米包覆材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選配比。本發(fā)明通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法優(yōu)選出三種尺度包覆顆粒的最佳配比，相較于封裝領(lǐng)域其它納米材料，例如納米銀膏，在顯著降低成本的同時(shí)保證了互連結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異力學(xué)性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫連接高溫服役的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于功率器件封裝的多尺度Cu@Ag微納米復(fù)合釬料及制備方法。

背景技術(shù)

在電子封裝技術(shù)領(lǐng)域，由于電子器件不斷向集成化、微型化、綠色化方向發(fā)展及以高功率密度、寬禁帶為特征的第三代半導(dǎo)體功率器件的廣泛應(yīng)用，這就要求互連接頭應(yīng)具備優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、低溫連接高溫服役能力、高可靠性，同時(shí)要求互連材料遵循無鉛化的環(huán)保趨勢。目前，新型無鉛高溫釬料研究主要集中在Au-Sn，Au-Ge，Zn-Al，Zn-Sn，和Sn-Sb合金以及其它合金材料，但技術(shù)尚不成熟。但上述技術(shù)均存在著不足之處，例如Au基硬度高吸收熱應(yīng)力能力弱且成本高；Zn基應(yīng)力松弛能力差、加工性能差，含有的Al等元素易氧化；Bi-Ag系釬料導(dǎo)熱導(dǎo)電性差等。

目前納米銀膏已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，這是由于尺寸效應(yīng)，納米Ag顆粒的表面能高、比表面原子數(shù)多，表面原子活性大，熔點(diǎn)低，利于實(shí)現(xiàn)低溫連接及燒結(jié)過程中擴(kuò)散過程的進(jìn)行，作為互連材料具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，同理納米銅膏亦如此，但兩者均存在缺陷。以核殼包覆形式制備的納米Cu@Ag兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)克服了Cu易氧化，Ag離子遷移且Ag價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。

然而，由于納米銀價(jià)格昂貴，且納米材料成本較高，因此將納米Cu@Ag作為互連材料存在生產(chǎn)成本高等問題，若在保證導(dǎo)電導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能基礎(chǔ)上，摻入一定量的微米Cu@Ag可有效降低成本。K.Suganuma等人研究發(fā)現(xiàn)多尺度亞微米Ag的力學(xué)性能與納米Ag相當(dāng)，但成本僅為其十分之一，而對(duì)于多尺度微納米Cu@Ag的研究鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于功率器件封裝的多尺度Cu@Ag微納米復(fù)合釬料及制備方法，在保證力學(xué)性能的同時(shí)，解決納米銀膏在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)存在成本高昂及服役過程中因銀離子遷移而引起器件短路失效等問題。

一種用于功率器件封裝的多尺度Cu@Ag微納米復(fù)合釬料為焊膏形式，由多尺度包覆材料組成的混合粉末與助焊劑構(gòu)成，混合粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70％～90％，助焊劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％～30％。

多尺度包覆材料Cu@Ag的平均粒徑為50nm、5μm、20μm，粒徑范圍是30～70nm、3～7μm、15～25μm，根據(jù)球形顆粒堆積理論，依照Dinger-Funk堆積公式計(jì)算納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并結(jié)合6組兩微米級(jí)顆粒含量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定三種顆粒在釬料中的質(zhì)量比為6：1.5：2.5，此配比下的釬料燒結(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能最佳。

助焊劑依照質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20％活性劑、32.5％成膜劑、1.5％觸變劑、1％調(diào)節(jié)劑、1.5％表面活性劑、1％緩蝕劑和其余溶劑組成。活性劑為硬脂酸；成膜劑由混合松香和聚乙二醇構(gòu)成，質(zhì)量比為5：1，其中混合松香由松香和氫化松香構(gòu)成，質(zhì)量比為1：1；調(diào)節(jié)劑為三乙醇胺；表面活性劑為辛基酚聚氧乙烯醚；溶劑為異丙醇。

一種上述用于電子封裝領(lǐng)域的多尺度微納米顆粒復(fù)合焊膏及其制備方法，步驟如下。

步驟一：制備Cu@Ag顆粒。

第一步：稱取適量銅粉，加入配置體積濃度為20％的硫酸清洗，進(jìn)行離心，洗滌，同時(shí)配制前驅(qū)反應(yīng)液，在酸洗之后處理銅粉。

第二步：配制銀氨溶液，將硝酸銀溶液與氫氧化鈉溶液混合，加入氨水直至產(chǎn)生的沉淀消失。