一种合金纳米颗粒焊膏及其制备方法技术

本发明专利技术属于纳米技术和微电子封装领域，并公开了一种合金纳米颗粒焊膏及其制备方法。该方法具体步骤为：将金属盐和稳定剂完全溶解于溶剂中制得金属盐溶液，在该金属盐溶液中加入还原剂并搅拌，使其充分反应获得合金纳米颗粒悬浮液；将合金纳米颗粒悬浮液进行固液分离得到沉淀物，利用清洗剂洗涤该沉淀物，然后干燥获得合金纳米颗粒；将合金纳米颗粒添加至有机增稠剂中，通过真空搅拌和除泡处理后，制得合金纳米颗粒焊膏。本发明专利技术采用液相还原法制备合金纳米颗粒，工艺简单、易于控制并且成本较低；在制备金属盐溶液时加入稳定剂，能够有效避免颗粒的团聚和氧化，增强合金纳米颗粒的抗氧化性。

A kind of alloy nanoparticle solder paste and its preparation method

The invention belongs to the field of nanotechnology and microelectronic packaging, and discloses an alloy nanoparticle solder paste and a preparation method thereof. The specific steps of the method are as follows: the metal salt solution is prepared by dissolving the metal salt and stabilizer completely in the solvent, adding reductant and stirring in the metal salt solution to make the alloy nanoparticle suspension fully react, separating the alloy nanoparticle suspension from solid and liquid to obtain the precipitate, washing the precipitate with detergent, and drying to obtain the alloy nanoparticle; Alloy nanoparticle solder paste was prepared by adding alloy nanoparticle into organic thickener and vacuum stirring and defoaming. The invention adopts liquid phase reduction method to prepare alloy nanoparticles, which has simple process, easy control and low cost. Adding stabilizer in the preparation of metal salt solution can effectively avoid agglomeration and oxidation of particles and enhance the oxidation resistance of alloy nanoparticles.

【技术实现步骤摘要】
一种合金纳米颗粒焊膏及其制备方法
本专利技术属于纳米技术和微电子封装领域，更具体地，涉及一种合金纳米颗粒焊膏及其制备方法。
技术介绍
随着电子器件高密度化、高功率化和微型化的不断发展，对焊料的耐高温性以及使用稳定性等性能提出了更为严苛的要求。虽然含铅高温焊料具有良好的耐高温性能，并广泛应用于电子封装领域，但含铅焊料对环境和人体健康存在严重的危害，不符合节能环保和绿色制造的发展趋势。而已开发的无铅焊料虽然能避免含铅焊料的使用，但仍然存在较多缺点，例如铋基焊料脆性大、锌基焊料不耐腐蚀和金基焊料高成本等。此外，这些焊料层在高温下易出现锡回流和热应力过大而导致电路短路失效的情况，难以保证功率电子器件长期使用的可靠性。因此，研制一种性能优良的低成本无铅焊料是微电子封装领域亟待解决的技术难题。近年来，金属纳米颗粒焊膏不仅具有良好的电导率和热导率，而且能实现低温键合和高温服役的目标，引起学术界和工业界的广泛关注，为微电子封装提供了一种新的技术路线。专利技术专利CN201010301224.8,CN201010301221.4,CN201010301190.2分别通过添加镍，铁和银纳米颗粒来增强无铅锡焊膏的塑性，抑制焊点界面金属间化合物的长大，从而提高力学性能和稳定性，但高温下锡回流和电迁移等难题并没有得到解决。目前，银和铜纳米颗粒焊膏凭借其高电导率和热导率、低烧结温度和优良力学性能等优势，成为纳米无铅焊膏研究的热点和重点。但银和铜纳米颗粒焊膏都存在一些不可避免的缺陷，如银的价格昂贵和抗离子迁移性差，铜纳米颗粒极易氧化，表面氧化物会显著增加烧结温度和降低电导率。有研究者通过制备核壳纳米颗粒(铜-银、铜-镍和铜-锡)来抑制铜纳米颗粒的氧化，但这种核壳结构制备工艺复杂，而且核壳结构在高温下产生相分离也将进一步降低电导率；另一方面，合金纳米颗粒能很好地平衡各种金属的优缺点，如铜-银合金纳米颗粒不但具有良好的热导率和导电率，而且具有良好的抗氧化性和抗离子迁移性能。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本专利技术提供了一种合金纳米颗粒焊膏及其制备方法，其中该制备方法通过在制备金属盐溶液时加入稳定剂，相应能够有效减少制备合金纳米颗粒过程中团聚现象和氧化反应的发生，使得制备的合金纳米颗粒焊膏尤其适用于微电子封装和三维集成电路等应用领域。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种合金纳米颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)将金属盐和稳定剂完全溶解于溶剂中制得金属盐溶液，在该金属盐溶液中加入还原剂并搅拌，使其充分反应获得合金纳米颗粒悬浮液；(b)将步骤(a)中制得的合金纳米颗粒悬浮液进行固液分离得到沉淀物，利用清洗剂洗涤该沉淀物，并将其干燥获得合金纳米颗粒；(c)将步骤(b)中制得的合金纳米颗粒添加至有机增稠剂中，通过真空搅拌和除泡处理后，制得合金纳米颗粒焊膏。作为进一步优选地，所述步骤(a)中金属盐的阳离子优选为铜离子、银离子、锡离子和镍离子中的任意两种或两种以上；所述金属盐的阴离子优选为氯离子、溴离子、硝酸根离子、硫酸根离子、甲酸根离子和乙酸根离子中的一种或多种。作为进一步优选地，所述步骤(a)中稳定剂优选为油胺、油酸、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、树脂、硫醇类有机物、酰胺类有机物和醇胺类有机物中的一种或多种；溶剂优选为去离子水、乙二醇、乙醇、一缩乙二醇、丙三醇、1，2-丙二醇和戊二醇中的一种或多种；还原剂优选为水合肼、苯肼、硼氢化钠、柠檬酸钠和次磷酸钠中的一种或多种。作为进一步优选地，所述步骤(a)中金属盐与稳定剂优选以1：2～1：30的摩尔比混合，并进一步优选以1：10～1：20的摩尔比混合；金属盐与还原剂优选以1：2～1：15的摩尔比混合，并进一步优选以1：5～1：10的摩尔比混合。作为进一步优选地，所述步骤(a)中搅拌时间优选为0.5h～24h，搅拌温度优选为5℃～100℃。作为进一步优选地，所述步骤(b)中清洗剂优选为去离子水、甲醇、无水乙醇、丙醇、正丁醇、戊烷、已烷、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和甲苯中的一种或多种。作为进一步优选地，所述步骤(b)中干燥温度优选为60℃～80℃，干燥时间优选为2h～12h，制得的合金纳米颗粒的粒径优选为5nm～300nm。作为进一步优选地，所述步骤(c)中有机增稠剂优选为甲基纤维素溶液、乙基纤维素溶液、羟乙基纤维素溶液、松油醇、异丙醇、聚乙二醇、聚乙酸乙烯酯和丙三醇中的一种或多种。作为进一步优选地，所述步骤(c)中制得的合金纳米颗粒焊膏中合金纳米颗粒的质量百分比优选为70％～95％。按照本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的合金纳米颗粒焊膏。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术采用液相还原法制备合金纳米颗粒，该方法具有工艺简单、工艺参数易于控制、成本较低等技术优势；2.尤其是，本专利技术在制备金属盐溶液时加入稳定剂，使其包覆在合金纳米颗粒表面，或者与金属离子形成配位键，能够有效避免颗粒的团聚，使合金纳米颗粒的粒径分布均匀，具有良好的分散性，为其保存和使用提供了有利的条件；同时，加入的稳定剂还可以有效抑制合金纳米颗粒的氧化，通过对制得的合金纳米颗粒进行表征后发现，其具有明显的金属单质衍射峰，没有金属氧化物等杂质的衍射峰，说明该合金纳米颗粒具有良好的抗氧化性，尤其适用于低温互连和微电子封装等
；3.本专利技术通过设定金属盐与稳定剂的摩尔比为1：2～1：30，能够保证制得的合金纳米颗粒的粒径在5nm～300nm的范围内，并且可以根据实际使用中对合金纳米颗粒粒径的需求选择合适的摩尔比，保证使用效果的同时避免加入过量的稳定剂增加生产成本；同时本专利技术还设定金属盐与还原剂的摩尔比为1：2～1：15，能够保证金属离子完全被还原为金属单质，加强制备的合金纳米颗粒的抗氧化性；4.同时，本专利技术制备的合金纳米颗粒具有显著的小尺寸效应和高表面活化能的特点，为实现低温烧结和高温服役的目标提供了十分有利的条件；5.此外，本专利技术制备的合金纳米颗粒以铜盐、银盐、锡盐、镍盐中的两种或两种以上金属盐作为原料，有效解决了活泼金属易氧化和重金属高成本的问题，极大地扩展了合金纳米颗粒的应用范围。附图说明图1是本专利技术提供的合金纳米颗粒焊料的制备流程图；图2是本专利技术实施例1中制备的合金纳米颗粒HJ-1的XRD图谱；图3是本专利技术实施例2中制备的合金纳米颗粒HJ-2的TEM图；图4是本专利技术实施例2中制备的合金纳米颗粒HJ-2的XPS图谱。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提出了一种合金纳米颗粒焊膏的制备方法，其制备流程如图1所示，具体包括如下步骤：(a)将金属盐和稳定剂完全溶解于溶剂中制得金属盐溶液，在该金属盐溶液中加入还原剂并搅拌，使其充分反应获得合金纳米颗粒悬浮液；(b)将步骤(a)中制得的合金纳米颗粒悬浮液优选采用离心的方法进行固液分离得到沉淀物，利用清洗剂洗涤该沉淀物，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种合金纳米颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)将金属盐和稳定剂完全溶解于溶剂中制得金属盐溶液，在该金属盐溶液中加入还原剂并搅拌，使其充分反应获得合金纳米颗粒悬浮液；(b)将步骤(a)中制得的合金纳米颗粒悬浮液进行固液分离得到沉淀物，利用清洗剂洗涤该沉淀物，并将其干燥获得合金纳米颗粒；(c)将步骤(b)中制得的合金纳米颗粒添加至有机增稠剂中，通过真空搅拌和除泡处理后，制得合金纳米颗粒焊膏。

【技术特征摘要】
1.一种合金纳米颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)将金属盐和稳定剂完全溶解于溶剂中制得金属盐溶液，在该金属盐溶液中加入还原剂并搅拌，使其充分反应获得合金纳米颗粒悬浮液；(b)将步骤(a)中制得的合金纳米颗粒悬浮液进行固液分离得到沉淀物，利用清洗剂洗涤该沉淀物，并将其干燥获得合金纳米颗粒；(c)将步骤(b)中制得的合金纳米颗粒添加至有机增稠剂中，通过真空搅拌和除泡处理后，制得合金纳米颗粒焊膏。2.如权利要求1所述的合金纳米颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中金属盐的阳离子优选为铜离子、银离子、锡离子和镍离子中的任意两种或两种以上；所述金属盐的阴离子优选为氯离子、溴离子、硝酸根离子、硫酸根离子、甲酸根离子和乙酸根离子中的一种或多种。3.如权利要求1或2所述的合金纳米颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中稳定剂优选为油胺、油酸、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、树脂、硫醇类有机物、酰胺类有机物和醇胺类有机物中的一种或多种；溶剂优选为去离子水、乙二醇、乙醇、一缩乙二醇、丙三醇、1，2-丙二醇和戊二醇中的一种或多种；还原剂优选为水合肼、苯肼、硼氢化钠、柠檬酸钠和次磷酸钠中的一种或多种。4.如权利要求1～3任一项所述的合金纳米颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中金属盐与稳定剂优选以1：2～1：30...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明祥，牟运，彭洋，刘佳欣，程浩，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42