一种低温烧结铜膏及其烧结工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种低温烧结铜膏及其烧结工艺。一种低温烧结铜膏，其由表面积为2‑10m2/g且表面被覆有机可焊接保护剂的片状铜颗粒、高链接树脂、助焊剂和添加剂构成。利用本发明专利技术的低温烧结铜膏，能够实现低温固化及铜颗粒的烧结，得到致密结构的接合体。

A Low Temperature Sintered Copper Paste and Its Sintering Process

【技术实现步骤摘要】
一种低温烧结铜膏及其烧结工艺
本专利技术涉及一种可用于低温烧结的铜膏，特别是涉及用于半导体封装材料领域的低温烧结铜膏。
技术介绍
新一代的用于电车、航空、和其他工业的功率模组需要高功率和高服役温度。在过去10年证明了宽禁带半导体可以耐300℃以上的高运行温度。然而，传统封装材料，比如锡基的焊料和导电胶，限制在200℃以下工作。研究人员一直在寻找各种办法获得高温和高功率情况下的高可靠性。在过去的探索中，人们发现银或者铜的烧结是有前景的方法。出于成本的考虑，烧结铜是代替银烧结的一个近几年一直在尝试的技术。但是烧结铜的相对高的烧结温度还在困扰着半导体封装业界。与银相比，铜虽然具有较高表面能，但其较易氧化，从而表面生成难溶且较低表面能的氧化物。目前，铜表面的氧化是阻碍烧结温度降低的主要原因之一(非专利文献1-3)，而且，随着铜颗粒尺寸的进一步降低，铜表面能增加，金属原子互融机会增大，但氧化倾向更为加剧，所以，通过减少铜表面氧化从而降低铜颗粒烧结温度是很有必要的。另外，增加表面能也是提升烧结效率的一种方法；加压也可以提升烧结效率和降低孔隙，但烧结时加压对于封装材料会带来可能的伤害。现有技术文献非专利文献1：JangE-J，HyunS，LeeH-J，ParkY-B，J.ElectronMaterial2009；38：1598非专利文献2：SugaT.ECSTransaction2006；3(6)：155非专利文献3：TanCS，ChenKN，FanA，ReifR.J.ElectronMaterial2004；33：1005
技术实现思路
专利技术所要解决的课题如上所述，与银相比，铜通常即使在室温下也容易被氧化，当制备成颗粒状的分散体时，在其表面上短时间内就形成了氧化物膜，并且氧化从其表面到内部连续进行。尤其在铜颗粒具有较小粒径例如纳米级粒径时，其比表面积相对增加，并且具有形成于其表面上的氧化物膜的厚度倾向于增加。在将这种表面具有氧化物膜的铜颗粒用于铜膏时，只能实现铜颗粒之间的部分烧结且在颗粒边界残残留有薄的铜氧化物层，而且，特别是在低温下难以实现铜颗粒之间的彼此熔融和/或扩散，从而导致烧结效率低，并且难以得到有优异的接合强度和致密性的烧结产物层。用于解决课题的手段在本专利技术中，为了提升烧结效率，提供一种能降低铜颗粒的烧结温度的低温烧结铜膏。本专利技术的低温烧结铜膏由片状铜颗粒、高链接树脂、助焊剂和任选的添加剂构成。片状铜颗粒可以增加同样使用量的铜的表面积，并可实现铜颗粒的方向大致同一且紧凑。通过使用本专利技术的低温烧结铜膏，能够在低温(例如200℃左右)实现固化，同时实现片状铜颗粒的烧结，获得低温烧结且得到致密结构的封装结构。特别地，利用本专利技术的低温烧结铜膏，能够以无压烧结实现片状铜颗粒的低温烧结。另外，本专利技术还提供一种低温烧结铜膏的烧结工艺，其使用了上述本专利技术的低温烧结铜膏。附图说明图1(a)是示出OSP膜保护前的铜颗粒，图1(b)是示出OSP膜保护后的铜颗粒。图2是示出将助焊剂混合在颗粒之间及树脂包裹外围的状态的图。图3是示出铜膏通过丝网印刷而被置在基板上面的状态的图。附图标记说明1...铜颗粒2...OSP膜3...助焊剂4...树脂5...基板6...芯片具体实施方式以下，对本专利技术实施方式进行说明。但是，本专利技术不以任何方式限定于以下的实施方式。在本专利技术的目的范围内进行适当的变更，也能够实施本专利技术。本专利技术的低温烧结铜膏例如可将片状铜颗粒、高链接树脂、助焊剂和任选的添加剂进行混合来得到。铜膏例如可用作配线材料或者接合材料。本专利技术的低温烧结铜膏通过选择具有大表面积的片状铜颗粒来作为降低烧结温度的手段。这是因为大表面积的片状铜颗粒具有大的表面能，在低温下能实现铜颗粒界面之间的良好扩散和接合。同时，为了降低该片状铜颗粒的表面氧化问题，利用有机可焊接保护(OSP，OrganicSolderabilityPreservatives)对片状铜颗粒的表面进行修饰，以对铜颗粒表面进行抗氧化性保护。OSP是用在半导体封装界中铜焊盘表面提高其可焊性的保护膜。在芯片倒装和表面贴装中，为了使得焊料在高温熔化后与铜表面有好的沾润和结合，需要在铜表面加一个防氧化护层以减少铜在储存和高温过程中的氧化，有贵金属保护和OSP涂层等多个选择，贵金属会与焊锡形成金属间化合物离开铜，而OSP会在高温情况下(200℃左右)分解而离开铜表面。图1是示出OSP膜保护前(a)和后(b)的片状铜颗粒的示意图。以下，对本专利技术的低温烧结铜膏通过的具体构成进行说明。1.片状铜颗粒本专利技术的低温烧结铜膏含有10-90质量％的片状铜颗粒，可以含有20-70质量％的片状铜颗粒，可以含有30-60质量％的片状铜颗粒，也可以含有40-50质量％的片状铜颗粒。本专利技术中的片状铜颗粒可通过例如模板法、化学还原法、机械球磨法、真空沉积法等来制造。例如，在模板法的情况下，可将铜的前体盐(例如硝酸铜、硫酸铜等)、模板剂(例如PEG600等)、还原剂(例如乙二醇、丙三醇、葡萄糖等多元醇，抗坏血酸等)、表面活性剂(例如十六烷基三甲基溴化铵(CTAB))等在溶液中在加热的状态下进行自组装来获得片状铜颗粒。另外，片状铜颗粒也可以通过市售获得。片状铜颗粒的纯度通常为99.9％以上，可以为99.99％以上。本专利技术中的片状铜颗粒具有2-10m2/g的大的表面积，从而具有合适的大的表面能。通过使用表面积在上述范围的片状铜颗粒，使得例如通过丝网印刷涂覆在基板上时能使片状铜颗粒具有同一方向，可以实现颗粒之间的紧凑排列。小于2m2/g时，片状铜颗粒的表面能过小，倾向于在涂覆时无法获得具有同一方向的片状铜颗粒，从而无法在低温下实现良好烧结。从该观点出发，片状铜颗粒的表面积优选为4m2/g以上，更优选为6m2/g以上。另一方面，大于10m2/g时，片状铜颗粒之间的表面能过大，片状铜颗粒之间倾向于过度熔合而容易被氧化，从而不能将基板、芯片等良好地接合。从该观点出发，片状铜颗粒的表面积优选为8m2/g以下。予以说明，表面积例如可通过BET法来测定。本专利技术中的片状铜颗粒的形状可以为平面形、波浪形、曲面形中的至少一种。本专利技术中的片状铜颗粒的长径方向的长度为0.1-5μm，可以为0.5-3μm，也可以为1-2μm，短径方向的长度为0.05-2μm，可以为0.1-1μm，也可以为0.2-0.5μm。予以说明，在铜颗粒的俯视形状为椭圆形的情况下，可将其长轴作为长径方向的长度；在铜颗粒的俯视形状为四边形等多边形的情况下，可将通过其内部的最长的线的长度作为长径方向的长度。另外，本专利技术中的片状铜颗粒的长宽比(长径方向长度/短径方向长度)为1.5以上10以下，可以为2以上8以下，也可以为3以上7以下。另外，本专利技术中的片状铜颗粒的厚度为0.1μm以下，可以为0.001-0.05μm，也可以为0.01-0.03μm。2.有机可焊接保护剂本专利技术中的片状铜颗粒的表面用有机可焊接保护剂(OSP)膜进行修饰而被覆盖。OSP是用在半导体封装界中铜焊盘表面提高其可焊接的保护膜。在本专利技术中，根据铜颗粒烧结的特殊性质，为片状铜颗粒设计了特定OSP的保护，可进一步除去铜表面的氧化物，减缓铜氧化，从而促进烧结过程中铜原子之间的相互扩散。作为可用于本专利技术中的OSP，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温烧结铜膏，其由表面积为2‑10m

【技术特征摘要】
1.一种低温烧结铜膏，其由表面积为2-10m2/g且表面被覆有机可焊接保护剂的片状铜颗粒、高链接树脂、助焊剂和任选的添加剂构成。2.权利要求1所述的低温烧结铜膏，其中，有机可焊接保护剂为苯并三氮唑、咪唑、苯并咪唑中的至少一种。3.权利要求1或2所述的低温烧结铜膏，其中，高链接树脂为环氧树脂。4.权利要求1至3中任一项所述的低温烧结铜膏，其中，上述铜膏加工为预制低温烧结铜膜的形式。5.一种低温烧结铜膏的烧结工艺，其包括：将权利要求1-4中任一项所述的低温烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫红，敖日格力，刘旭，叶怀宇，张国旗，
申请(专利权)人：深圳第三代半导体研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44