[發明專利]一種芯片無壓燒結互連用納米銅漿及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010696203.4
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111975011B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 周敏波;吳雪;黃海軍;張新平
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;B22F1/00;H01L23/52;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李本祥

本發明公開了一種芯片無壓燒結互連用納米銅漿及其制備方法與應用，制備方法包括納米銅制備和銅漿混合兩個步驟。納米銅的制備是將反應液倒入溫度為80?120℃且持續加熱的還原液中，攪拌下反應，反應結束后離心，清洗后得到納米銅顆粒。納米銅制備的反應液和還原液均含有多元酸和胺類添加劑混合而成的復合包覆劑，制備的納米銅粒子是尺寸呈雙峰分布特征的納米聚集體。本發明中納米銅的制備是以互連用燒結銅漿為應用背景，制備所用包覆劑及復配溶劑在燒結中完全揮發或分解并具備還原效應，尺寸雙峰分布的納米銅顆粒能實現低溫燒結的同時形成大量密實互連，從而使得漿料能在無壓條件下實現高效燒結與高性能互連。

技術領域

本發明涉及納米銅漿，具體涉及一種芯片無壓燒結互連用納米銅漿及其制備方法與應用；屬于功率電子器件互連技術、電子封裝領域。

背景技術

近年來，為了減少碳排放，風能、太陽能、生物質能等可再生能源技術已受到廣泛關注。為了提高這些可再生能源的能量轉換效率，作為能量轉換關鍵設備之一的功率半導體器件，需要滿足嚴格的條件以適應更高的電流密度，更高的功率耗散和更高的反向擊穿電壓。與傳統的硅半導體相比，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體由于具有更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿電場、更好的熱導率以及更高的工作溫度，在功率器件中應用越來越廣泛。

目前常用于功率器件封裝芯片互連材料主要有高鉛合金、金系合金、納米銀漿等。但是出于對環境保護考慮以及芯片結溫的不斷增長，不建議使用高鉛合金，而金系合金和納米銀漿以貴金屬為主體，成本較高，不適合推廣使用。這使得越來越多的研究者致力于開發成本較低的芯片互連材料，并兼顧使器件具備較高的使用溫度和連接強度、優秀的散熱性能和高效的信號傳輸等優點。

銅具有和銀相近的導電和導熱性能，且其原料價格約為銀的百分之一，這些優勢使銅成為互連材料的研究熱點。傳統的微米銅粉漿料由于熔點較高，難以在較低溫度下燒結，而具有高比表面能的納米銅顆粒燒結溫度遠低于微米銅粉。利用這種納米效應，將納米銅顆粒配制成銅漿，能得到在較低溫度下燒結并形成良好互連的納米銅漿。由于所用溶劑為低熔點的有機物，其在燒結過程中可以完全揮發，最終可以獲得銅含量達到99％以上的互連接頭。這種接頭能很好繼承塊狀金屬銅所具有的高使用溫度、優良導熱性能和導電性能等優點。然而，納米銅表面原子活性高，極易形成氧化銅，并且銅納米顆粒表面的氧化物會阻礙銅原子的擴散，影響燒結過程，使得互連接頭很難在較低溫度下形成可靠連接。所以解決銅漿中銅的氧化問題對提高銅漿燒結工藝和銅漿互連性能至關重要。為了防止銅的氧化和增強銅漿的燒結能力，銅漿在燒結過程中均需施加一定壓力，這會顯著增加工藝難度和生產成本，也可能會對功率芯片造成一定損傷。因此，開發一種芯片無壓燒結互連用高性能納米銅漿對實現納米銅漿在工業上的大規模應用具有重要意義。

中國發明專利CN106825998A公開了一種用作大功率芯片封裝的無氧化納米銅焊膏及其制備方法；該方法采用粒徑為30nm-60nm的表面無氧化的銅納米顆粒，按照質量比為2:1-5:1的比例與有機溶劑混合，經機械攪拌和行星式重力攪拌充分后，得到納米銅焊膏；通過對制備得到的納米銅用有機酸處理來去除制備過程中納米銅顆粒表面的氧化物，解決了銅漿燒結時氧化物對漿料互連性能的影響。但是，該方法增加了一個后處理過程，增加了制備工序，使制備成本增加，并且在后續燒結過程中，使用了5–10MPa的壓力，引入了氫氣氣氛，這可能會對功率芯片造成損傷，并且會增加工藝成本。

中國發明專利申請CN109317859A公開了納米銅焊膏、其制備方法及銅-銅鍵合的方法；納米銅焊膏以質量百分含量計包含納米銅顆粒50～90％，醇胺5～25％，粘度調節劑0～45％。使用該發明所提供的納米銅焊膏進行銅-銅鍵合，不但可降低燒結溫度，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并得到具有較高剪切強度的銅-銅互連結構。該發明利用醇胺做溶劑，可以有效減少燒結過程中銅的氧化，但是在燒結過程中同樣需要施加較大壓力，對芯片和工藝成本造成負擔。

發明內容