用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法与互连工艺技术

本发明专利技术公开了一种用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法与互连工艺，所述碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法如下：步骤1、将中空碳纳米球分散在溶剂中，搅拌并超声处理；步骤2、加入银源，在避光条件下搅拌后，加入还原剂；步骤3、将所得溶液在室温下避光搅拌；步骤4、将所得产物进行多次洗涤、离心、再分散，随后经干燥，得到碳纳米球@Ag核壳材料。本发明专利技术的碳纳米球@Ag核壳材料具有良好的抗氧化性，通过塑性变形可以有效减少形成接头中的孔隙和孔洞；可实现“低温连接、高温服役”，通过纳米颗粒的塑性变形有效减少形成接头中的孔隙和孔洞，可在低温条件下将芯片与基板互连，完成半导体器件的连接封装。成半导体器件的连接封装。成半导体器件的连接封装。

【技术实现步骤摘要】
用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法与互连工艺


[0001]本专利技术属于电子封装微互连
，涉及一种芯片封装互连材料，具体涉及一种用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法与互连工艺。

技术介绍

[0002]根据研究表明，第三代半导体制成的器件凭借耐高压、耐高温、功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低等优势，获得新能源汽车、5G、特高压、数据中心等领域的青睐。但由于其工作温度可高达250℃到300℃，传统的芯片封装互连材料难以满足其高温服役的条件，急需寻找新的替代材料。而金属纳米颗粒由于纳米尺寸效应，使得烧结过程不经过液相线，烧结温度能够远低于块体熔点。同时，纳米材料经烧结后又能在较高温度下长期稳定工作，很好地满足了“低温烧结，高温服役”的需求，是理想的芯片互连材料。
[0003]纳米Ag颗粒的烧结温度低，服役温度高，且具有优良的导电性和导热性、较强的抗腐蚀性和抗氧化性。但银纳米颗粒成本高，同时电迁移和化学迁移现象严重，易导致电路发生短路失效，这会严重影响产品的可靠性。碳纳米颗粒具有导电性好、成本低廉、性质稳定等特点，但由于其本身不具备连接性，很少应用于连接领域。

技术实现思路

[0004]针对现有纳米Ag与碳纳米材料在连接领域存在的上述问题，本专利技术提供了一种用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法与互连工艺，内核碳、外壳Ag的结构特点能够充分发挥两种材料的优势，中空碳核可以提高银的抗迁移性、降低互连材料成本，通过形变吸收外界的应力并缓解局部的应力集中；纳米尺度的Ag壳提供了良好的连接性，显著降低了烧结温度，具有良好的抗氧化性。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、中空碳纳米球材料的制备
[0008]本步骤中，中空碳纳米球的制备方法为现有技术，通过胶束
‑
界面共聚与碳热还原的方法进行制备，具体制备方法如下：
[0009]步骤1.1、将有机单体苯胺和吡咯加入到含有两性分子表面活性剂的水溶液中，加入氧化锡胶体溶液，搅拌并超声分散30～120min，得到均匀的混合溶液，其中：
[0010]所述吡咯和苯胺的用量比为1.125～0.500mL：1mL；
[0011]所述两性分子表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚(TritonX
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100)，其与吡咯和苯胺总用量的比例为1g：7.3～15.0mL；
[0012]所述吡咯和苯胺的总用量与两性分子表面活性剂的水溶液中的水的比例为0.8～3.2mg：1g；
[0013]所述氧化锡胶体的用量与两性分子表面活性剂的水溶液中的水的比例为5～15mg：1g；
[0014]步骤1.2、将混合溶液置于冰水浴中搅拌20～60min，加入引发剂水溶液剧烈搅拌20～50s后再在0～6℃的环境下反应12～36h，所得产物经洗涤、干燥，得到中空碳纳米球材料前驱体，其中：
[0015]所述引发剂水溶液中的引发剂为过硫酸铵，过硫酸铵与吡咯和苯胺总用量的比例为1.00～6.27g：1mL；
[0016]所述引发剂水溶液在加入前预先冷却至0～5℃；
[0017]所述洗涤是指将产物用去离子水多次洗涤，并减压过滤，直到滤液接近中性；
[0018]步骤1.3、将中空碳纳米球材料前驱体进行高温炭化处理，即得到中空碳纳米球材料，其中：
[0019]所述高温炭化处理是在惰性气氛中以2～10℃/min的升温速率升温至600～1000℃，炭化3～20h；
[0020]步骤2、碳纳米球@Ag核壳材料的制备
[0021]步骤2.1、将步骤(1)得到的中空碳纳米球分散在溶剂中，搅拌并超声处理20～40min，其中：
[0022]所述溶剂选自水、乙醇、聚乙二醇中的一种或多种；
[0023]所述中空碳纳米球的用量与溶剂的比例为0.00025～0.0005g：1mL；
[0024]步骤2.2、加入银源，在避光条件下搅拌20～40min后，加入还原剂，其中：
[0025]所述银源为硝酸二氨合银溶液，浓度为0.0125mol/L，硝酸二氨合银溶液的用量与用于分散中空碳纳米球的溶剂的比例为1～2mL：1mL；
[0026]所述还原剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的用量与中空碳纳米球的用量比例为10～20g：1g；
[0027]步骤2.3、将步骤2.2所得溶液在室温下避光搅拌8～24h；
[0028]步骤2.4、将步骤2.3所得产物进行多次洗涤、离心、再分散，随后经干燥，得到碳纳米球@Ag核壳材料，所述碳纳米球@Ag核壳材料可应用在电子封装微互连
中。
[0029]一种利用上述方法制备的碳纳米球@Ag核壳材料进行互连的工艺，包括如下步骤：
[0030]步骤1、基板的处理
[0031]步骤1.1、使用丙酮去除基板表面的油污，使用稀盐酸去除表面氧化物；
[0032]步骤1.2、干燥后，将步骤1.1清洗干净的基板进行打磨，进一步去除表面氧化膜；
[0033]步骤1.3、将步骤1.2处理后的基板置于真空干燥箱中，在
‑
1MPa真空条件下室温保存；
[0034]步骤2、焊膏的制备与涂覆
[0035]步骤2.1、将碳纳米球@Ag核壳材料置于研钵中，加入有机分散剂，充分研磨使其混合均匀并研磨至膏状，得到碳纳米球@Ag核壳焊膏，其中：
[0036]所述有机分散剂可以是聚乙二醇
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400、乙醇、丁醇、乙二醇和丙二醇中的一种或几种混合物；
[0037]所述焊膏中的混合粉体与有机分散剂的质量百分比为80～90％：10～20％；
[0038]步骤2.2、将碳纳米球@Ag核壳焊膏通过丝网印刷的方式均匀涂覆在步骤1处理后
的基板上，其中：
[0039]所述碳纳米球@Ag核壳材料焊膏在基板上的涂覆厚度为50～200μm；
[0040]步骤2.3、将涂覆焊膏的基板置于恒温干燥箱中，在110～140℃的条件下预热5～30min，除去焊膏中部分残存的无水乙醇，避免烧结组织中形成较多的气孔；
[0041]步骤3、热压烧结
[0042]将芯片置于焊膏上装配成三明治结构，放入热压机中进行热压烧结，其中：
[0043]所述热压烧结的加热方式采用双侧加热，温升速率为4～10℃/min，压力为1～10MPa，加热温度为250～350℃，加热时间为5～60min。
[0044]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0045]1、中空的碳纳米球由界面共聚和碳热还原方法制得，工艺相比于模板法更简单，成本相比于纯Ag纳米颗粒焊膏更低廉。中空的碳纳米球可以增加银离子迁移路上的障碍，提高银的抗迁移性。此外，中空碳纳米球可以通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤1、将中空碳纳米球分散在溶剂中，搅拌并超声处理，其中：所述中空碳纳米球的用量与溶剂的比例为0.00025～0.0005g：1mL；步骤2、加入银源，在避光条件下搅拌后，加入还原剂，其中：所述银源的用量与用于分散中空碳纳米球的溶剂的比例为1～2mL：1mL；所述还原剂的用量与中空碳纳米球的用量比例为10～20g：1g；步骤3、将步骤2所得溶液在室温下避光搅拌；步骤4、将步骤3所得产物进行多次洗涤、离心、再分散，随后经干燥，得到碳纳米球@Ag核壳材料。2.根据权利要求1所述的用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法，其特征在于所述步骤1中，中空碳纳米球材料通过胶束
‑
界面共聚与碳热还原的方法进行制备，具体制备方法如下：步骤(1)将有机单体苯胺和吡咯加入到含有两性分子表面活性剂的水溶液中，加入氧化锡胶体溶液，搅拌并超声分散，得到均匀的混合溶液，其中：所述吡咯和苯胺的用量比为1.125～0.500mL：1mL；所述两性分子表面活性剂与吡咯和苯胺总用量的比例为1g：7.3～15.0mL；所述吡咯和苯胺的总用量与两性分子表面活性剂的水溶液中的水的比例为0.8～3.2mg：1g；所述氧化锡胶体的用量与两性分子表面活性剂的水溶液中的水的比例为5～15mg：1g；步骤(2)将混合溶液置于冰水浴中搅拌，加入引发剂水溶液剧烈搅拌后再在0～6℃的环境下反应，所得产物经洗涤、干燥，得到中空碳纳米球材料前驱体，其中：所述引发剂与吡咯和苯胺总用量的比例为1.00～6.27g：1mL；步骤(3)将中空碳纳米球材料前驱体进行高温炭化处理，即得到中空碳纳米球材料。3.根据权利要求2所述的用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法，其特征在于所述两性分子表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚；所述引发剂为过硫酸铵；所述引发剂水溶液在加入前预先冷却至0～5℃；所述高温炭化处理是在惰性气氛中以2～10℃/min的升温速率升温至600～1000℃，炭化3～20h。4.根据权利要求1所述的用于低温连接、高温服役的碳纳米球@Ag核壳材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘威，黄世新，张威，田艳红，温志成，郭龙军，高鹤，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：