一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏及其制备方法：采用粒径为30nm‑60nm的表面无氧化的铜纳米颗粒，按照质量比为2:1‑5:1的比例与有机溶剂混合，经机械搅拌和行星式重力搅拌充分后，得到纳米铜焊膏。本发明专利技术进一步提供表面无氧化铜纳米颗粒的制备方法，采用本发明专利技术中的方法所制备得到的无氧化纳米铜焊膏具有比普通纳米铜焊膏以及锡铅钎料更高的导电性能和更好的力学性能。本发明专利技术中的制备方法简单实用，对环境无污染，可产业化推广应用。

Oxide free nano copper solder paste used for encapsulation of high power chip and preparation method thereof

The invention provides a method for large power chip package without oxide nano copper solder paste and its preparation method: using copper nanoparticles surface oxidation particle size of 30nm 60NM, according to the quality ratio of 2:1 5:1 mixed with organic solvent, stirring and planetary gravity stirring. Get the nano copper solder paste. The invention further provides a preparation method of free copper oxide nanoparticles on the surface of the prepared by the method of non oxide brazing paste has higher than ordinary nano copper tin lead solder and solder paste conductivity and better mechanical properties. The preparation method of the invention is simple and practical, has no pollution to the environment, and can be popularized and applied in industry.

【技术实现步骤摘要】
一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏及其制备方法
本专利技术属于电子封装互连材料
，涉及一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏及其制备方法。
技术介绍
微电子封装为半导体设备提供互连、物理保护和机械支撑，使它们能够在特定条件下工作。因此，作为芯片与剩余系统连接桥梁的封装互连材料在确保设备工作的持续性中扮演着重要角色。鉴于操作温度低于300℃，锡基钎料和导电胶常被广泛应用在电子元器件的封装互连中。然而，在某些特殊场合如汽车电子、油井钻探、航空航天领域中对器件的使用温度高达350℃以上，此时，重熔温度较低的锡基钎料和导电胶已经不再适用，急需寻找新的能够在较高温度下稳定服役的封装互联材料。为了能够满足更高使用温度的需求，SiC、GaN等半导体材料被认为是潜在的可用于下一代功率器件的半导体晶圆。这主要是因为这些半导体材料的禁带宽度大、击穿电压高、介电常数小、化学热稳定性好，这些性能很好的满足了大功率、高温半导体器件的需求。相关研究证明，以SiC为基体的半导体功率设备即便在350℃的高温下也拥有良好的转换特性和稳定的工作特性。但是，关于能在高温下适用的封装技术和封装材料的研究却少之又少。现有的金基和锌基等高温钎料由于连接温度较高，且润湿性较差，形成的焊点自身较脆难以加工成型，因此，到目前为止还没有一种能够大面积推广应用的高温无铅钎料。随着纳米技术的发展，以金属纳米颗粒为基体的纳米焊膏展现出巨大潜力，这其中包括纳米金、银和铜焊膏。金和银尽管拥有优异的导电性，但由于原料成本较高，很难大规模推广应用，而铜不仅拥有较好的导电性，而且成本低廉，更适用于庞大的电子产业集群。问题在于铜的化学性质活泼，很容易氧化，而氧化的存在一方面升高铜纳米颗粒烧结温度，导致纳米铜焊膏的适用范围变窄，另一方面将使得纳米铜烧结体的电学性能变差。因此，现有的纳米铜焊膏均存在烧结温度过高，导电性较差的问题，同时形成的连接结构的力学性能也有待提升。
技术实现思路
为了解决上述现有铜焊膏的不足，本专利技术提供了一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法，该方法可在较低温度下通过烧结的方式获得力学性能良好的大功率芯片封装互连焊点，且烧结层的电阻率低，具有优异的导电性。一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：制备表面无氧化铜纳米颗粒，所述表面无氧化铜纳米颗粒系含铜化合物经还原后获得。所述表面无氧化铜纳米颗粒的粒径为30-60nm。步骤A中所述表面无氧化铜纳米颗粒的表面无氧化物。其中，所述步骤A包括以下分步骤：步骤A1：制备初始铜纳米颗粒；所述初始铜纳米颗粒系一水合次亚磷酸钠和/或硼氢化钠溶液快速滴加入无机铜盐和分散剂的混合液中后经清洗和离心后获得，所述无机铜盐系硫酸铜或硝酸铜，所述分散剂系聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵。进一步的，所述步骤A1包括以下分步骤：步骤A11：配制还原溶液，所述还原溶液系100-300ml、0.5-1mol/L的一水合次亚磷酸钠、硼氢化钠中的一种或两种，所述还原溶液的温度为80-120℃。步骤A12：配制反应溶液，所述反应溶液系100-300ml无机铜盐和分散剂的混合液，其中所述无机铜盐系0.3-0.5mol/L的硫酸铜或硝酸铜，所述分散剂系2-5mmol/L的聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵，所述反应溶液的溶剂为多元醇中的一种或多种，所述反应溶液的温度为80-120℃。步骤A13：反应步骤，所述反应步骤系将所述还原溶液滴加入所述反应溶液中，滴加速率为100ml-300ml/min，搅拌速度为200-400r/min，反应时间为5-30min。步骤A14：后处理步骤，所述后处理步骤系待反应步骤得到的反应液冷却后加入100-200ml的去离子水、以5000-8000rpm的转速离心5-10min后去掉上层清液。步骤A2：去除铜纳米颗粒氧化层，所述去除铜纳米颗粒氧化层系将初始铜纳米颗粒经重新超声分散到含有2-5wt%有机酸的无水乙醇溶液中浸泡8-12min后，以3000-5000rpm的转速离心3-5min，去掉上层清夜，加入无水乙醇清洗数次，最后通过离心沉淀获得，所述有机酸为一元饱和羧酸、短链二元羧酸中一种或多种，其中短链二元羧酸系值分子链中C数少于10的二元羧酸。步骤B：配制焊膏原料，所述焊膏原料系指所述表面无氧化铜纳米颗粒与有机溶剂的混合体系，其中所述表面无氧化铜纳米颗粒占50-80wt%，所述有机溶剂占20-50wt%，所述有机溶剂为松油醇、乙二醇、甲苯、异丙醇、乙二醇二甲醚中一种或多种的混合物；步骤C：制备焊膏，所述焊膏系所述焊膏原料经充分搅拌后获得。其中，所述步骤C包括以下分步骤。步骤C1：对所述焊膏原料进行机械搅拌。所述机械搅拌的时间为20-40min。步骤C2：采用小型行星式重力搅拌机进行充分搅拌。所述小型行星式重力搅拌机的搅拌时间为50-80s，转速为800-1500r/s。本专利技术的另一目的在于提供一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏，所获得的无氧化纳米铜焊膏稳定性好，烧结温度低。所述用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏通过前述的用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法制得。本专利技术的第三个目的在于提供一种大功率芯片与基板的互连封装方法，其特征在于：所述大功率芯片与基板的互连封装时采用前述的用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏，其烧结温度为200℃-260℃，烧结时间为3-10min，辅助压力为5-10MPa，保护气氛为95%氮气+5%氢气，当其烧结层的电阻率为4.76μΩ·cm-5.82μΩ·cm、连接接头的剪切强度为41.4MPa-45.34Mpa时烧结停止。相比现有技术，本专利技术的优点在于：(1).本专利技术中采用的表面无氧化铜纳米颗粒的制备方法简单，过程省时，所需设备简单易得，成本低廉。(2).本专利技术中采用的无氧化纳米铜焊膏烧结温度仅需不到260℃，明显低于其他纳米铜膏，与现有软钎焊工艺温度接近，具有更好的烧结性能，更适用于大功率高温芯片的互连封装。(3).本专利技术中制备的大功率器件焊点的电阻率最终为4.76μΩ·cm-5.82μΩ·cm，连接接头的剪切强度为41.4MPa-45.34MPa，均优于现有的高温钎料。器件的连接温度低，成型后可服役温度高，很好的满足了下一代功率器件的高温应用需求。附图说明附图1为本专利技术所制得的无氧化纳米铜焊膏，经烧结所形成焊点的微观组织SEM图。具体实施方式一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法，包括以下步骤：(1)配置一定浓度的铜源和分散剂混合的多元醇溶液，加热至一定温度。(2)配置一定浓度的还原剂的多元醇溶液，加热至一定温度。(3)采用化学还原法合成初始的铜纳米颗粒。(4)配置一定浓度的有机酸的无水乙醇溶液。(5)将合成的初始铜纳米颗粒浸泡在有机酸的无水乙醇溶液中，去除初始铜纳米颗粒表面氧化层。(6)将制备的表面无氧化铜纳米颗粒与有机溶剂混合，经机械搅拌和小型行星式重力搅拌机搅拌后获得无氧化纳米铜焊膏。铜源采用三水硝酸铜、五水硫酸铜中的一种，或是两种的混合物。多元醇溶液为一缩二乙二醇或乙二醇等多元醇中的一种，或至少是其中两种的混合物。在铜纳米颗粒的合成过程中，由于金属纳米颗粒表面能高，很本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：制备表面无氧化铜纳米颗粒，所述表面无氧化铜纳米颗粒系含铜化合物经还原后获得；步骤B：配制焊膏原料，所述焊膏原料系指所述表面无氧化铜纳米颗粒与有机溶剂的混合体系，其中所述表面无氧化铜纳米颗粒占50‑80 wt%，所述有机溶剂占 20‑50 wt%，所述有机溶剂为松油醇、乙二醇、甲苯、异丙醇、乙二醇二甲醚中一种或多种的混合物；步骤C：制备焊膏，所述焊膏系所述焊膏原料经充分搅拌后获得。

【技术特征摘要】
1.一种用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：制备表面无氧化铜纳米颗粒，所述表面无氧化铜纳米颗粒系含铜化合物经还原后获得；步骤B：配制焊膏原料，所述焊膏原料系指所述表面无氧化铜纳米颗粒与有机溶剂的混合体系，其中所述表面无氧化铜纳米颗粒占50-80wt%，所述有机溶剂占20-50wt%，所述有机溶剂为松油醇、乙二醇、甲苯、异丙醇、乙二醇二甲醚中一种或多种的混合物；步骤C：制备焊膏，所述焊膏系所述焊膏原料经充分搅拌后获得。2.根据权利要求1所述的用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法，其特征在于，所述步骤A包括以下分步骤：步骤A1：制备初始铜纳米颗粒；所述初始铜纳米颗粒系一水合次亚磷酸钠和/或硼氢化钠溶液快速滴加入无机铜盐和分散剂的混合液中后经清洗和离心后获得，所述无机铜盐系硫酸铜或硝酸铜，所述分散剂系聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵；步骤A2：去除铜纳米颗粒氧化层，所述去除铜纳米颗粒氧化层系将初始铜纳米颗粒经重新超声分散到含有2-5wt%有机酸的无水乙醇溶液中浸泡8-12min后，以3000-5000rpm的转速离心3-5min，去掉上层清夜，加入无水乙醇清洗数次，最后通过离心沉淀获得，所述有机酸为一元饱和羧酸、短链二元羧酸中一种或多种，其中短链二元羧酸系值分子链中C数少于10的二元羧酸。3.根据权利要求2所述的用作大功率芯片封装的无氧化纳米铜焊膏的制备方法，其特征在于，所述步骤A1包括以下分步骤：步骤A11：配制还原溶液，所述还原溶液系100-300ml、0.5-1mol/L的一水合次亚磷酸钠、硼氢化钠中的一种或两种，所述还原溶液的温度为80-120℃；步骤A12：配制反应溶液，所述反应溶液系100-300ml无机铜盐和分散剂的混合液，其中所述无机铜盐系0.3-0.5mol/L的硫酸铜或硝酸铜，所述分散剂系2-5mmol/L的聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵，所述反应溶液的溶剂为多元醇中的一种或多种，所述反应溶液的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明雨，刘敬东，杨世华，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，上海航天设备制造总厂，
类型：发明
国别省市：广东,44