本發(fā)明涉及功率器件封裝，尤其是涉及一種功率器件封裝用納米銅顆粒及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著大功率器件的快速發(fā)展，第三代半導(dǎo)體被廣泛使用。然而，第三代半導(dǎo)體運(yùn)行的溫度較高，傳統(tǒng)的錫基焊料熔點(diǎn)較低，無法滿足第三代半導(dǎo)體的高溫服役要求。因此，需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)低溫互聯(lián)、高溫服役的連接材料來滿足芯片封裝的要求。

2、納米金屬材料因其特殊的尺寸效應(yīng)而備受關(guān)注；其中，納米銀由于其良好的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性，被廣泛地應(yīng)用。但納米銀的價(jià)格昂貴，且采用納米銀作為中間層進(jìn)行燒結(jié)后容易發(fā)生電化學(xué)遷移。納米銅的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性也較好，且納米銅的價(jià)格低，抗化學(xué)遷移性好；因此，目前許多研究都認(rèn)為納米銅是納米銀的良好替代品。

3、納米銅顆粒的制備及處理方法影響著燒結(jié)性能的好壞，以往的研究都是在制備過程中添加一些有機(jī)物對(duì)納米銅顆粒進(jìn)行包覆，防止其被氧化。然而，這些有機(jī)物會(huì)導(dǎo)致用該納米銅顆粒配制的銅膏在燒結(jié)過程中的燒結(jié)性能下降，進(jìn)而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。因此，急需一種新的納米銅顆粒處理方法來提高其燒結(jié)性能。

4、鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種功率器件封裝用納米銅顆粒及其制備方法和應(yīng)用，該功率器件封裝用納米銅顆粒在燒結(jié)過程中表現(xiàn)出更好的燒結(jié)性能，提高了燒結(jié)結(jié)構(gòu)的致密性和強(qiáng)度。

2、本發(fā)明提供一種功率器件封裝用納米銅顆粒的制備方法，包括如下步驟：

3、s1：將堿性可溶性銅鹽溶液與還原性溶液混合后進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離、清洗、干燥，得到納米銅顆粒；

4、s2：采用氧化性溶液對(duì)納米銅顆粒進(jìn)行氧化，在納米銅顆粒表面形成氧化層；

5、s3：對(duì)氧化產(chǎn)物進(jìn)行分離、清洗、干燥，得到功率器件封裝用納米銅顆粒。

6、步驟s1中，堿性可溶性銅鹽溶液的ph值為8-10；可以通過向可溶性銅鹽溶液中加入氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)可溶性銅鹽溶液的ph值為8-10，制得堿性可溶性銅鹽溶液；可溶性銅鹽溶液中的可溶性銅鹽選自硫酸銅、氯化銅、甲酸銅和醋酸銅中的至少一種，可溶性銅鹽溶液的濃度為0.01-0.1mol/l，例如為0.05-0.1mol/l；氫氧化鈉溶液的濃度為0.1-0.5mol/l。

7、還原性溶液中的還原劑選自水合肼、抗壞血酸、硼氫化物、次磷酸鹽和亞硝酸鹽中的至少一種，優(yōu)選為水合肼或抗壞血酸；還原性溶液的濃度為0.2-0.5mol/l。

8、堿性可溶性銅鹽溶液與還原性溶液的質(zhì)量比為(1-2)：1，例如為(1.2-1.5)：1；反應(yīng)溫度可以為室溫，反應(yīng)時(shí)間為2-3h，反應(yīng)可以在攪拌條件下進(jìn)行。

9、采用離心分離等方式對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離；采用無水乙醇對(duì)分離后的鈉米銅顆粒進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為15-25min，清洗次數(shù)為2-3次；在氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣氛下對(duì)清洗后的納米銅顆粒進(jìn)行干燥，即得到納米銅顆粒。納米銅顆粒的粒徑為200-400nm，例如為200-300nm。

10、步驟s2中，氧化性溶液可以采用強(qiáng)氧化劑溶液；具體地，氧化性溶液可以采用10-15wt％的過氧化氫溶液或0.158-1.58wt％的高錳酸鉀溶液，例如采用12-14wt％的過氧化氫溶液或0.4-0.6wt％的高錳酸鉀溶液；氧化性溶液加入至將納米銅顆粒完全浸沒即可；氧化時(shí)的溫度為30-60℃，例如為40-50℃，氧化時(shí)間為1-3h，例如為1-2h。氧化層的材質(zhì)包括氧化亞銅和氧化銅，優(yōu)選為主要包括氧化亞銅；相對(duì)于氧化銅，氧化亞銅在燒結(jié)過程中更容易被還原成銅原子；氧化層的厚度為5-8nm。

11、步驟s3中，可以采用無水乙醇清洗2-3次，隨后在氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣氛下烘干，得到表面包覆氧化層的功率器件封裝用納米銅顆粒。

12、本發(fā)明還提供一種功率器件封裝用納米銅顆粒，按照上述制備方法制得。

13、本發(fā)明還提供一種燒結(jié)型銅膏，包括如下質(zhì)量份的組分：上述功率器件封裝用納米銅顆粒75-85份，有機(jī)溶劑10-20份和固化劑5-10份；優(yōu)選地，燒結(jié)型銅膏包括如下質(zhì)量份的組分：上述功率器件封裝用納米銅顆粒78-83份，有機(jī)溶劑12-17份和固化劑5份。

14、具體地，有機(jī)溶劑可以采用易揮發(fā)的醇類有機(jī)物混合物，例如可以選自乙二醇、二乙二醇、松油醇、丙二醇、丙三醇、丁二醇和己二醇中的至少一種；具體地，有機(jī)溶劑可以包括如下質(zhì)量份的原料：二乙二醇20-25份，乙二醇20-25份，松油醇20-25份，丙二醇20份，丙三醇5-20份；固化劑可以采用粘度較高的樹脂混合物，例如可以選自雙酚a環(huán)氧樹脂、雙酚f環(huán)氧樹脂、聚氨酯環(huán)氧樹脂和改性酚醛環(huán)氧樹脂中的至少一種，優(yōu)選為雙酚a環(huán)氧樹脂。

15、本發(fā)明還提供上述燒結(jié)型銅膏在制備功率器件封裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

16、本發(fā)明還提供一種封裝互聯(lián)方法，包括如下步驟：

17、a)對(duì)下基板進(jìn)行預(yù)處理，隨后將上述燒結(jié)型銅膏涂覆在下基板表面；

18、b)將上基板連接面貼合在下基板的燒結(jié)型銅膏上形成堆疊結(jié)構(gòu)；

19、c)在還原性氣氛下對(duì)堆疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒結(jié)，得到封裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

20、步驟a)中，下基板可以選擇純銅基板；預(yù)處理包括：采用砂紙對(duì)下基板(銅基板)進(jìn)行打磨，以除去銅基板表面的氧化銅層；隨后，在無水乙醇中超聲洗滌4-6min以去除其表面的雜質(zhì)，再在40-60℃下真空干燥4-6min以去除銅基板表面的無水乙醇。

21、步驟b)中，上基板可以選擇純銅基板。

22、步驟c)中，燒結(jié)包括：先以8-12℃/min的升溫速率升溫至120-140℃，保溫5-15min；隨后，以18-22℃/min的升溫速率升溫至180-220℃，保溫25-35min；燒結(jié)為無壓燒結(jié)。

23、本發(fā)明通過化學(xué)還原法制備納米銅顆粒，并將納米銅顆粒表面預(yù)氧化處理形成一層氧化層，該氧化層不僅能夠防止納米銅顆粒發(fā)生聚集，還能夠在還原性氣氛的燒結(jié)過程中會(huì)重新還原為銅原子，新生成的銅原子表面活性更高，擴(kuò)散速率更快，加速了燒結(jié)過程中原子的遷移和結(jié)合，進(jìn)而解決目前銅燒結(jié)性能不強(qiáng)等問題，采用該納米銅顆粒制備的燒結(jié)型銅膏在燒結(jié)過程中表現(xiàn)出更好的燒結(jié)性能，進(jìn)而得到更加致密的組織，性能更好的燒結(jié)層。

技術(shù)特征：

1.一種功率器件封裝用納米銅顆粒的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s1中，堿性可溶性銅鹽溶液的ph值為8-10；堿性可溶性銅鹽溶液中的可溶性銅鹽選自硫酸銅、氯化銅、甲酸銅和醋酸銅中的至少一種；還原性溶液中的還原劑選自水合肼、抗壞血酸、硼氫化物、次磷酸鹽和亞硝酸鹽中的至少一種；反應(yīng)時(shí)間為2-3h。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s2中，氧化性溶液為10-15wt％的過氧化氫溶液或0.158-1.58wt％的高錳酸鉀溶液；氧化時(shí)的溫度為30-60℃，氧化時(shí)間為1-3h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s2中，氧化層的材質(zhì)包括氧化亞銅；氧化層的厚度為5-8nm。

5.一種功率器件封裝用納米銅顆粒，其特征在于，按照權(quán)利要求1-4任一所述的制備方法制得。

6.一種燒結(jié)型銅膏，其特征在于，包括如下質(zhì)量份的組分：權(quán)利要求5所述的功率器件封裝用納米銅顆粒75-85份，有機(jī)溶劑10-20份和固化劑5-10份。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燒結(jié)型銅膏，其特征在于，有機(jī)溶劑選自乙二醇、二乙二醇、松油醇、丙二醇、丙三醇、丁二醇和己二醇中的至少一種；固化劑選自雙酚a環(huán)氧樹脂、雙酚f環(huán)氧樹脂、聚氨酯環(huán)氧樹脂和改性酚醛環(huán)氧樹脂中的至少一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的燒結(jié)型銅膏在制備功率器件封裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

9.一種封裝互聯(lián)方法，其特征在于，包括如下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的封裝互聯(lián)方法，其特征在于，燒結(jié)包括：先以8-12℃/min的升溫速率升溫至120-140℃，保溫5-15min；隨后，以18-22℃/min的升溫速率升溫至180-220℃，保溫25-35min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種功率器件封裝用納米銅顆粒及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的制備方法包括如下步驟：S1：將堿性可溶性銅鹽溶液與還原性溶液混合后進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離、清洗、干燥，得到納米銅顆粒；S2：采用強(qiáng)氧化劑對(duì)納米銅顆粒進(jìn)行氧化，在納米銅顆粒表面形成氧化層；S3：對(duì)氧化產(chǎn)物進(jìn)行分離、清洗、干燥，得到功率器件封裝用納米銅顆粒。采用上述功率器件封裝用納米銅顆粒制備的燒結(jié)型銅膏在燒結(jié)過程中表現(xiàn)出更好的燒結(jié)性能，進(jìn)一步提高了燒結(jié)結(jié)構(gòu)的致密性和強(qiáng)度。

技術(shù)研發(fā)人員：賈強(qiáng),劉向江,朱?？?郭福,王乙舒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15