可烧结金属颗粒及其在电子应用中的用途制造技术

本发明专利技术提供可烧结金属颗粒及包含其的组合物。所述组合物可以多种方式使用，即，通过取代焊料作为芯片帖装材料。所得烧结的组合物可在常规半导体组装中作为焊料的替代物，且在大功率装置中提供增强的热导率和电导率。因此，本发明专利技术的组合物提供了一种对于必须在固化过程中经受机械力的纳米‑颗粒金属的替代物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及可烧结金属颗粒，及其多方面用途。一方面，本专利技术涉及包含可烧结金属颗粒的组合物。另一方面，本专利技术涉及粘附金属颗粒至金属基底的方法。还有一方面，本专利技术涉及改善金属组件与金属基底的粘合力的方法。
技术介绍
为了满足各监管机构的规定(例如，有害物质限用(RoHS)规定要求从电子设备中彻底消除Pb，芯片帖装市场在寻找含铅焊料的替代物。现有候选焊料如Bi-合金、Zn-合金和Au-Sn合金由于它们许多的局限性，例如电导率和热导率差、脆、可加工性差、抗腐蚀性差、高成本等，而受到较低的关注。市场上另一趋势为碳化硅技术的出现取代硅技术。为了达到更高的性能，碳化硅技术相比于硅技术在显著更高的温度、功率和电压下运行。上述提及的候选焊料不能在高于250℃的温度下施用。因此，除了上述提及的无铅焊料的不足之外，无铅焊料相比于含铅焊料具有更低的工作温度。烧结是通过在低于金属熔点温度下加热将金属的颗粒焊接/粘合在一起。驱动力是由于表面积和表面自由能的降低使自由能改变。在烧结温度下，扩散过程引起凹槽的形成，这导致这些接触点的增长。在烧结过程完成后，邻近的金属颗粒通过冷焊接在一起。为了具有优良的粘合力、热性能和电性能，不同颗粒不得不几乎完全合并在一起，导致金属具有非常致密的结构与有限的孔隙。采用金属颗粒烧结的许多工作已经在纳米-颗粒上展开。采用纳米颗粒的工作揭示了由于纳米颗粒具有驱使烧结的更高的表面积，该材料在低于常规金属薄片的温度下烧结。遗憾的是，在高温下烧结后形成的材料保持多孔和易脆。在导电组合物中孔隙的存在可引起空洞，这可能导致使用了
所述填料颗粒的半导体或微电子装置的失效。为了克服孔隙的存在，且增强结合强度，纳米-颗粒金属通常在升高的温度下烧结，同时遭受机械力以消除孔隙且获得充分的致密化，以使其适用于半导体制造。使用纳米-颗粒金属的另一问题是由此存在的潜在的健康和环境的挑战
技术实现思路
依据本专利技术的一方面，提供包含可烧结金属颗粒的组合物。所述组合物可以多种方式使用，即，通过在芯片帖装应用中替换焊料或通过替换焊料作为芯片帖装材料。所得烧结的组合物可在常规半导体组装中作为焊料替代物使用，且在大功率装置中提供增强的传导率。因此，本专利技术的组合物提供了一种纳米-颗粒金属的替代物，所述纳米-颗粒金属必须在固化过程中经受机械力。因此，依据本专利技术的一方面，其提供的组合物包含具有界定(defined)性能的金属颗粒。该组合物展现出优良的烧结能力，制得其中孔隙的产生得到降低的烧结材料，且不需要在过热和施加机械力下烧结以产生致密结构，这使得在界面处形成更多连接点和牢固的结合。具体地，已发现具有下述性能组合的金属颗粒也将具有优良的烧结性能：1.颗粒需要具有一定的晶粒尺寸(晶粒尺寸可以例如由X-射线分析通过Rietveld精修方法获得)。由于除了晶粒尺寸外的其它因素(晶体位错、晶界、微应力等)也可部分导致峰的增宽，选择使用因子ψ(其为平均值，对于不同的峰从衍射峰的峰宽(用Lorentzian函数拟合)除以峰位置得出)。2.所述可烧结颗粒在晶体学方向上需要为各向异性。晶体各向异性可定义为晶体材料的形状、物理或化学性质在与其晶格的主轴(或晶面)有关的方向上的变化。有这种各向异性性质的材料已被观察到展现出相对彼此的择优取向。多个颗粒的这种取向给烧结提供了良好的起点，因为相关平面彼此平行取向，将容易烧结。典型的方法来测定晶体是否为各向异性涉及将特定衍生峰的相对强度与完全各向同性材料的相对强度比较(见例如Yugang Sun&Younan Xia,Science,Vol.298,2002,pp.2176-79)。此外优选超过50％的颗粒展现出该各向异性，尤其当该各向异性具有相同的晶体学方
向。3.颗粒的结晶度应该为至少50％。附图说明图1示出三个示例性颗粒银样品的X-射线衍射的原始数据，代表典型的可烧结金属。图2示出七个不同样品的峰宽作为每个峰位置函数的图。注意在晶片剪切测试完成良好的样品落入较低“带”，其对应通常更窄的峰，因此依据Scherrer方程，通常为更大的晶体。图3示出对分析的所有样品的“psi”参数图。具体实施方式根据本专利技术，本专利技术提供的组合物包含：分散于合适的载体中的可烧结金属颗粒，其中至少一部分的所述金属颗粒的特征在于：--由X-射线衍射限定的Ψ值<0.0020，--具有至少50％的结晶度，以及--在晶体学方向上为各向异性。这里使用的合适的可烧结金属颗粒包括Ag、Cu、Au、Pd、Ni、In、Sn、Zn、Li、Mg、Al、Mo等，及其任何两种或更多种的混合物。在一些实施方案中，可烧结金属颗粒为银。这里使用的Ψ值表示衍射峰的增宽(这是由于仪器和样品二者共同造成的)。为了该应用，将“样品增宽”与“仪器增宽”区分开。对于描述衍射峰形状的函数，通常使用的术语为峰形函数(Profile Shape Function)(PSF)。基于本专利技术的目的，选择使用Lorentzian函数拟合峰。因此，由原始数据测定“psi”参数通过首先获得示例性材料的X射线衍射数据进行(例如见图1)。然后获得所有样品的峰宽(例如见图2)。为了简化样品表征，可定义“psi”参数，为峰宽除以其峰位置(因此该值为无量纲)。可随后对每个峰计算平均“psi”值且得到最终平均值。图3示出了对分析的所有样品，该“psi”参数的图。注意每个样品的“psi”仍代表仪器增宽和样品增宽二者的贡献。图3中的虚线为仪器对“psi”的贡献(其为常数，从参比NAC晶体在同样仪器上作为其余的样品分析获得)。然后比较总“psi”因子和“psi”星(表示仅由样品引起的衍射峰增宽)。0.002的临界值将性能良好的样品和性能差的样品分开。这里使用的金属颗粒具有至少50％的结晶度。在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有至少60％的结晶度；在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有至少70％的结晶度；在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有至少80％的结晶度；在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有至少90％的结晶度；在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有至少95％的结晶度；在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有至少98％的结晶度；在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有至少99％的结晶度；在一些实施方案中，这里使用的金属颗粒具有基本上100％的结晶度。这里所使用的晶体各向异性指晶体材料的物理或化学性质在与其晶格的主轴(或晶面)有关的方向上的变化。有许多方法可用于测定晶体的各向异性，包括，例如，光学的、磁学的、电学的或X-射线衍射方法。后者中对银的晶体各向异性的微分化的一个方法特别地在Yugang Sun&Younan Xia,Science,Vol.298,2002,pp.2176-79中提及：值得注意的是(200)和(111)衍射峰强度之间的比高于常规值(0.67与0.4)，表明我们的纳米立方体在{100本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电粘合剂组合物，其包含：分散于适合的载体中的可烧结金属颗粒，其中，至少一部分的所述金属颗粒的特征在于：‑‑由X‑射线衍射限定的Ψ值<0.0020，‑‑具有至少50％的结晶度，以及‑‑在晶体学方向上为各向异性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.24 US 61/943,5161.一种导电粘合剂组合物，其包含：分散于适合的载体中的可烧结金属颗粒，其中，至少一部分的所述金属颗粒的特征在于：--由X-射线衍射限定的Ψ值<0.0020，--具有至少50％的结晶度，以及--在晶体学方向上为各向异性。2.权利要求1所述的组合物，其中所述金属选自Ag、Cu、Au、Pd、Ni、In、Sn、Zn、Li、Mg、Al或Mo。3.权利要求1所述的组合物，其中所述金属为银。4.权利要求1所述的组合物，其中所述适合的载体为液体。5.权利要求4所述的组合物，其中所述载体为醇、芳香烃、饱和烃、氯代烃、醚、多元醇、酯、二元酯、煤油、高沸点醇及其酯、二醇醚、酮、酰胺、杂芳族化合物、及其任何两种或更多种的混合物。6.权利要求4所述的组合物，其中所述醇为一缩二丙二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、己二醇、1-甲氧基-2-丙醇、双丙酮醇、叔丁醇、2-乙基-1,3-己二醇、十三烷醇、1,2-辛二醇、二乙二醇丁醚、α-萜品醇或β-萜品醇。7.权利要求4所述的组合物，其中所述酯为2-(2-丁氧基乙氧基)乙基乙酸酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯、碳酸1,2-亚丙酯、卡必醇乙酸酯、丁基卡必醇乙酸酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、乙基卡必醇乙酸酯、己二醇或邻苯二甲酸二丁酯。8.权利要求1所述的组合物，其中所述金属颗粒占所述组合物的约20
\t重量％-约98重量％。9.权利要求1所述的组合物，其中所述组合物在烧结时形成致密的烧结网络，且具有高芯片剪切强度。10.权利要求1所述的组合物，其中所述组合物能在100℃–350℃的温度下固化，而不需要施加外部的机械力。11.一种制备导电网络的方法，所述方法包括：将权利要求1所述的组合物施涂于适合的基底以使适合的组件结合至所述基底，然后烧结所述组合物。12.权利要求11所述的方法，其中所述适合的组件为裸芯片。13.权利要求11所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·彼德拉什，L·托伊尼森，A·亨肯斯，K·W·周，
申请(专利权)人：汉高股份有限及两合公司，汉高知识产权控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE