混合尺寸纳米铜膏及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种混合尺寸纳米铜膏及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：将经过包覆处理的多种不同粒度分布的纳米铜颗粒加入分散剂中，并控制所述纳米铜颗粒在单位时间内添加的流量为10～100g/s；通过高速剪切乳化分散使所述纳米铜颗粒分散到分散剂中，形成均匀、稳定的纳米铜膏体；使所述纳米铜膏体内所述分散剂中易挥发组分挥发，得到纳米铜膏。该方法将经过包覆处理的不同粒度分布的纳米铜颗粒加入分散剂中，通过高速剪切乳化分散，获得均匀、稳定的纳米铜膏体，其中纳米铜粉颗粒占铜膏体总质量的90％及以上，成功解决了传统方法中存在的纳米铜颗粒分散不均匀、纳米铜膏体稳定性差等问题。

【技术实现步骤摘要】
混合尺寸纳米铜膏及其制备方法
本专利技术涉及互连材料制备
，具体涉及一种混合尺寸纳米铜膏及其制备方法。
技术介绍
IGBT大功率模块等功率半导体器件需要在较高服役温度下仍具有良好的转换特性和工作能力，封装将影响器件的性能和长期可靠性，互连材料不仅实现器件内部芯片与基板之间的封装连接，同时还提供机械支撑、散热通道和电学互连。随着功率半导体器件的小型化、低功耗、高温高压的发展趋势，对互连材料也提出了更苛刻的性能需求。传统封装高温互连材料为锡铅合金，由于铅具有毒性等缺点，欧盟提出封装材料无铅化倡议，因此互连材料开始向无铅化发展。之后发展出具有代表性的SnAgCu合金无铅钎料成为主要互连材料，但是随着电子产品应用领域和范围的扩大，服役条件越发严苛，无铅钎料开始出现应用的局限性，在高温条件下，连接层极易发生蠕变疲劳损伤，最终导致失效。纳米金属颗粒是后来发展出的互连材料，因为纳米尺寸效应，金属粉体颗粒可在较低温度下实现烧结，且烧结后的连接层具有宏观金属的性能，可在较高温度下服役，因此受到普遍关注，而其中受关注最多的则是纳米银浆料及纳米银膏。但是因为银具有较强的电迁移性能，易发生失效，影响可靠性，并且成本较高，限制了其产业化以及大规模应用。近年来，纳米铜互连材料越来越受到关注，因为铜的成本较低、导电导热能力强、抗电迁移，因此纳米铜浆料和纳米铜膏逐渐成为行业内研究的对象。然而铜的抗氧化能力较弱，在制备纳米铜浆料或纳米铜膏时，易氧化、易团聚，导致制备的浆料或膏体中，纳米铜颗粒分散不均匀，稳定性差，进而导致烧结后的连接层孔隙率大，连接强度弱，影响产品的可靠性。目前常用的制备方法包括超声分散法、高频震荡法、磁力搅拌法、机械搅拌法、研磨法、溶液还原法等方法，均未能解决纳米颗粒分散不均匀的问题。另外，为降低烧结后连接层的孔隙率，提高致密度，采用不同尺寸纳米金属颗粒制备膏体成为一种新的趋势。已公开的中国专利技术专利CN201910265529.9采用物理冲击的方法将小尺寸纳米金属颗粒打入大尺寸纳米金属膏体中，以制备混合纳米尺寸金属膏体。但该方法效率较低，且仍无法确保不同尺寸纳米金属颗粒分散分布的均匀性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种混合尺寸纳米铜膏及其制备方法，该制备方法将经过包覆处理的不同粒度分布的纳米铜颗粒加入分散剂中，通过高速剪切乳化分散，获得均匀、稳定的纳米铜膏体，其中纳米铜粉颗粒占铜膏体总质量的90％及以上，该制备方法避免了传统方法的不足，成功解决了传统方法中存在的纳米铜颗粒分散不均匀、纳米铜膏体稳定性差等问题，同时该方法设备简单、工艺流程短、效率高、成本低、适合工业化生产。为了实现上述目的，根据本专利技术的第一方面，提供了一种混合尺寸纳米铜膏的制备方法。该混合尺寸纳米铜膏的制备方法包括以下步骤：S1：将经过包覆处理的多种不同粒度分布的纳米铜颗粒加入分散剂中，并控制所述纳米铜颗粒在单位时间内添加的流量为10～100g/s；S2：通过高速剪切乳化分散使所述纳米铜颗粒分散到分散剂中，形成均匀、稳定的纳米铜膏体；S3：使S2步骤得到的纳米铜膏体内所述分散剂中易挥发组分挥发，得到纳米铜膏。进一步的，步骤S1中，所述纳米铜颗粒的加入质量为所述纳米铜膏体总质量的90～98％。进一步的，步骤S1中，所述纳米铜颗粒包括粒度分布为50～80nm、80～100nm和100～120nm的第一尺寸纳米铜颗粒中的一种或多种；以及粒度分布为250～280nm、280～300nm和300～320nm的第二尺寸纳米铜颗粒中的一种或多种。进一步的，所述第一尺寸纳米铜颗粒与所述第二尺寸纳米铜颗粒的中位粒径比≤0.4；所述第一尺寸纳米铜颗粒的添加量为所述第二尺寸纳米铜颗粒的1.5～2.5倍。根据球体填充理论，当两种不同尺寸的球体混合时，若要实现小尺寸球体均匀填充在大尺寸球体的间隙，需满足2个条件：(1)小尺寸球体直径与大尺寸球体直径之比≤0.4，(2)所有小尺寸球体的总体积是所有大尺寸球体总体积的1.5～2.5倍；若未满足上述条件，则制备的纳米铜膏在烧结后将存在较高的孔隙率，导致烧结层致密度降低。进一步的，步骤S1中，所述纳米铜颗粒经过表面包覆处理；其中，包覆层为苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或多种。进一步的，步骤S2中，所述高速剪切乳化分散是通过高速乳化分散设备完成，其中转子的线速度为30～60m/s；所述高速剪切乳化分散的时长为20～30min。进一步的，步骤S3包括，将所述纳米铜膏体以20～60rpm搅拌速度搅拌30～40min，并加热至120～160℃进行保温，使所述纳米铜膏体内的易挥发组分充分挥发。进一步的，步骤S1中包括分散剂预处理：将分散剂加热至25℃～70℃，并保温，同时以30～120rpm的搅拌速度搅拌5～20min，使分散剂内各组分充分混合且分布均匀；并且在所述纳米铜颗粒的加入过程保持所述分散剂仍处于保温和搅拌状态。进一步的，所述分散剂包括易挥发组分和不易挥发组分；其中，所述易挥发组分为丙酮、乙二醇、丙三醇、二甲苯和异丙醇中的一种或多种；所述不易挥发组分为聚乙烯吡咯烷酮、明胶、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、阿拉伯胶和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。为了实现上述目的，根据本专利技术的第二方面，提供了一种混合尺寸纳米铜膏。根据上述的混合尺寸纳米铜膏的制备方法制备得到的混合尺寸纳米铜膏。在添加纳米金属颗粒制备纳米金属膏体的过程中，颗粒的密度一般与分散剂相差较大，因而纳米颗粒在膏体中容易团聚。Stokes质点浮沉速度υ表达式为：式中，η为分散剂的粘度(Pa·s)；r为纳米颗粒半径；g为重力加速度；ρ为密度。根据上式，纳米颗粒在膏体内的浮沉速率与纳米颗粒和分散剂的密度差及颗粒半径平方成正比，并与分散剂的粘度成反比。提高分散剂的粘度，减小纳米颗粒的粒径均可使颗粒的浮沉速率变小，从而使颗粒不易聚集结团，使得纳米金属膏体分散均匀、性能稳定。在选定的特定分散剂及纳米颗粒的前提下，分散剂粘度、分散剂及纳米颗粒的密度为定值，纳米颗粒在膏体中的浮沉速率与颗粒尺寸的平方成正比，故减小纳米颗粒尺寸对其浮沉速率导致的纳米颗粒分离及团聚长大的影响最大。本专利技术的目的在于，通过高速剪切乳化工艺，利用高速转子与定子的相对作用，如图2所示，保证了更大的剪切力和更高的剪切速度，实现了对加入的纳米颗粒进行反复的破碎分散，将微米级团聚物分离成单一纳米颗粒，且在膏体中均匀分布，使颗粒的半径最小化，进而最大程度降低质点浮沉速度，最终获得长时间稳定存在的纳米金属膏体，确保烧结后形成的连接层组织均匀、孔隙率低、致密度高。以纳米铜膏体为例，温度25℃时若分散剂的粘度为60Pa·s，密度为4g/cm3，铜的密度为8.9g/cm3，颗粒半径为100nm，由Stokes公式计算得颗粒的浮沉速度约为1.8×10-4nm/s，颗粒在60天内浮沉距离约为933nm，因此以该方法制备的纳米铜膏具有长期本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合尺寸纳米铜膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：将经过包覆处理的多种不同粒度分布的纳米铜颗粒加入分散剂中，并控制所述纳米铜颗粒在单位时间内添加的流量为10～100g/s；/nS2：通过高速剪切乳化分散使所述纳米铜颗粒分散到分散剂中，形成均匀、稳定的纳米铜膏体；/nS3：使S2步骤得到的纳米铜膏体内所述分散剂中易挥发组分挥发，得到纳米铜膏。/n

【技术特征摘要】
1.一种混合尺寸纳米铜膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将经过包覆处理的多种不同粒度分布的纳米铜颗粒加入分散剂中，并控制所述纳米铜颗粒在单位时间内添加的流量为10～100g/s；
S2：通过高速剪切乳化分散使所述纳米铜颗粒分散到分散剂中，形成均匀、稳定的纳米铜膏体；
S3：使S2步骤得到的纳米铜膏体内所述分散剂中易挥发组分挥发，得到纳米铜膏。


2.根据权利要求1所述的混合尺寸纳米铜膏的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述纳米铜颗粒的加入质量为所述纳米铜膏体总质量的90～98％。


3.根据权利要求1所述的混合尺寸纳米铜膏的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述纳米铜颗粒包括粒度分布为50～80nm、80～100nm和100～120nm的第一尺寸纳米铜颗粒中的一种或多种；以及粒度分布为250～280nm、280～300nm和300～320nm的第二尺寸纳米铜颗粒中的一种或多种。


4.根据权利要求3所述的混合尺寸纳米铜膏的制备方法，其特征在于，所述第一尺寸纳米铜颗粒与所述第二尺寸纳米铜颗粒的中位粒径比≤0.4；所述第一尺寸纳米铜颗粒的添加量为所述第二尺寸纳米铜颗粒的1.5～2.5倍。


5.根据权利要求1所述的混合尺寸纳米铜膏的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述纳米铜颗粒经过表面包覆处理；其中，包覆层为苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺会军，林卓贤，王志刚，赵朝辉，张富文，张江松，刘建，朱捷，张焕鹍，朱学新，安宁，李志刚，徐蕾，
申请(专利权)人：北京康普锡威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11