[發明專利]一種銀錫核殼結構的納米金屬焊膏的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202010059423.6
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111230352B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 陳靜;劉盼;張靖;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: B23K35/14
• 分類號: B23K35/14;B23K1/00
• 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

本發明提供了一種銀錫核殼結構的納米金屬焊膏的制備方法及其應用，通過納米銀的預處理；配置硼氫化鈉還原液；錫包覆納米銀即銀錫核殼結構的納米金屬焊膏。錫銀核殼層復合金屬的燒結溫度低于納米銀的燒結溫度，且服役溫度高于錫金屬焊膏的服役溫度；整體降低燒結膏材料的成本價格；減少銀的電遷移現象，提升焊膏的使用品質；互連材料接頭的強度可達到25MPa以上。

技術領域

本發明涉及復合納米材料的制備技術領域，尤其涉及一種銀錫核殼結構的納米金屬焊膏的制備方法及其應用。

背景技術

目前，隨著功率半導體器件的發展，半導體器件的特性尺寸推動著封裝尺寸變得越來越小。同時，人們對電力電子器件的性能要求也越來越高。因而，一些耐高壓、耐高溫、大功率的寬帶隙半導體器件不斷涌現，如碳化硅和氮化鎵基器件等。此類半導體器件具有較高的阻斷電壓、低通態比電阻和比熱阻、低開關損耗以及耐高溫抗輻照等特點，在250℃的工作溫度下仍具有非常良好的轉換特性和工作能力。因此，為滿足未來產品應用的苛刻要求，封裝技術必須具有電性能、熱學性能和機械性能的良好匹配，以及優異的可靠性能。

然而，目前常利用合金焊料或導電膠作為無鉛互連材料，但絕大多數無鉛焊料和導電膠的可靠工作溫度遠低于200℃。這嚴重限制了寬帶隙半導體功率電子器件的應用。因此，研究可高溫應用的大功率寬帶隙半導體器件的新型無鉛化互連材料和互連技術就顯得十分必要。納米銀焊膏作為新型互連材料，由于其功能相銀材料具有卓越的導電和導熱性能、較高的熔點(塊狀銀的熔點為960℃)等優勢而受到越來越多的關注。然而，銀高昂的成本和較高的燒結溫度對該類燒結材料造成了很大的限制。錫金屬材料是傳統電子封裝使用最為廣泛的互連材料，然而隨著電子行業的發展，耐高溫器件和芯片的不斷發展，錫的較低燒結溫度和服役溫度限制了其發展。

發明內容

針對上述現有技術中所存在的技術問題，本發明要解決現有方法制備的納米銀的高成本，較高燒結溫度及錫焊膏燒結材料的低服役溫度問題，提供了一種銀錫核殼結構的納米金屬焊膏的制備方法，具體包括以下步驟：

S1.納米銀用去離子水超聲洗滌；

S2.將所述用去離子水洗過的納米銀粉加入到丙酮中，并進行超聲處理，得到含銀粉的丙酮溶液，并將所述含銀粉的丙酮溶液中丙酮自然揮發，得到干燥待包覆的納米銀粉；

S3.配置濃度為1×10^-2mol/L-2×10^-2mol/L的硼氫化鈉還原液；

S4.利用磁力攪拌儀在轉速為300r/min-400r/min的攪拌速度下將待包覆的納米銀粉加入到硼氫化鈉還原液中攪拌10-25min，在轉速不變的情況下逐滴加入二價錫離子溶液(Sn(OH)₂)，當納米銀由黑色變為銀色后停止攪拌，得到錫包覆納米銀溶液；

S5.錫包覆納米銀溶液進行干燥，得到銀錫核殼結構的納米金屬焊膏。

錫的熔點(230℃)略低于納米銀的燒結溫度(280℃)，在實際使用過程中，隨著溫度的上升，互連材料中的有機物質不斷減少，在最外層的錫開始熔化形成液態并且加速粒子擴散粘結較高熔點的納米銀形成致密結構。而最終燒結溫度約為230℃-240℃。且由于燒結過程中生成的Ag₃Sn而降低了互連材料工作過程中的電遷移現象。Ag與Sn原子反應生成的Ag₃Sn，而Ag₃Sn可以起到阻礙銀電遷移的作用。

優選地，所述S1中超聲洗滌條件為室溫下20K-40KHz，洗滌15min-30min。

優選地，所述S2中超聲處理條件為溫度25℃-50℃下，20K-40KHz處理10-15min。

優選地，所述S3中硼氫化鈉還原液采用以下方法制備：將氫氧化鈉加入去離子冰水中，調整溶液的PH為11-12，隨后加入硼氫化鈉，既得硼氫化鈉還原液。