在选自GaN或SiC体系的高温半导体装置与基板之间形成自致密互连层。互连层包括具有微米级银颗粒的基质，其含量约为10至60重量百分比，且该微米级银颗粒具有约0.1至15微米的粒径；键合颗粒以化学键合的方式连接基质中的微米银颗粒，且该键合颗粒包括核心银纳米颗粒，以及以原位形成并且以化学结合的方式结合到核心银纳米颗粒的表面银纳米颗粒，同时该表面银纳米颗粒也以化学结合的方式与具有微米级银颗粒的基质结合。该键合颗粒具有约10至100纳米的核心粒径，而原位形成的表面银纳米颗粒具有约3至9纳米的粒径。具有约3至9纳米的粒径。具有约3至9纳米的粒径。
【技术实现步骤摘要】
自致密纳米银浆及制备用于高功率电子器件的互连层的方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求对2022年1月16日提交的美国临时专利申请案63/300,043、及2023年1月12日提交的美国专利申请案18/154,033享有优先权，通过引用将其公开内容并入本文。
[0002]本专利技术涉及自致密纳米银浆，更具体地，涉及用于连接高功率电子装置的自致密纳米银浆。
技术介绍
[0003]由于金属纳米颗粒及其相关油墨/浆剂具有颗粒尺寸减小和表面积增加的独特特性，因此在印刷电子行业引起了广泛的兴趣。近来，已有以喷墨印刷方法直接使用金属纳米颗粒油墨于印刷精细导电图案的方法，这种特殊的方法所用的油墨必须含有高浓度的小纳米颗粒，其可以很好地分散在溶剂中。例如，WO2009/111393公开了一种导电油墨，其包括金属纳米粒子、聚合物分散剂和溶剂，并进一步公开了金属纳米粒子的含量约占油墨的10
‑
60重量百分比。
[0004]在半导体封装中，芯片贴装材料可在半导体器件与其基板/封装之间形成电和/或热连接，传统上，常以铅基焊料形成这种连接，因此，用于芯片贴装的高温铅基焊料合金在半导体工业领域中属于成熟产品，然而，铅基材料会引起环境和健康问题。某些地区的环境法规规定，封装需要使用无铅焊料，但无铅焊料合金的熔化温度通常较低，容易受到热疲劳和蠕变的影响，从而产生长期的可靠性问题，虽然金基的无铅焊料合金具有可接受的电和热性能，但在大多数设备中使用过于昂贵。
[0005]高功率半导体装置具有较高的击穿电压以及较低的开关损耗，能够实现更高的电流密度，并在更高的温度下运作。这些高功率装置会使用到宽带隙材料，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，这两种材料都可以在300℃以上的温度下运作。由于在高功率电子装置中使用这些宽带隙材料会增加对高散热的需求，共晶焊料合金或常规芯片贴装粘合剂并不适合作为芯片贴装材料，因为其散热能力有限(导热率30
‑
60W/mK)且熔点低。使用这些常规材料的键合线显示出较低的热稳定性，并且在高操作温度下会失效，因此，考虑到键合层材料的低导热性，可能反而需要限制高功率电子装置的功率。
[0006]透过银烧结，可以在装置和基板之间提供牢固的键合(bond)。在烧结过程中，当银材料在最佳条件(压力、温度和时间)下加热时，其形态会从粉末变为固体结构；与传统的焊料材料相比，银烧结可产生更可靠的互连层，具有显著提高的性能和寿命，且更节能并对半导体封装产生的应力更小。
[0007]由于银纳米粒子具有高熔化温度(961℃)和低烧结温度，银纳米粒子已被大量使用于半导体装置和基板的互连，透过其优异的导热性和导电性，烧结银能够将装置的结温度(junction temperature，Tj)降低至100℃。当颗粒尺寸减小到纳米级时，会产生一些特殊的特性，如较低的熔化温度、较高的表面能和较高的扩散系数，这些特性与块体银明显地
不同。
[0008]烧结纳米银的优点之一是其可以在与铅基焊料相当的温度下形成连接层(joint)；然而，烧结后，连接层不会熔化，直到温度超过银的熔点(961℃)，且纳米银材料还具有与银块相同的优异热、电和机械性能，在相对较低的温度下所生产的烧结纳米银连接层可以在常规焊点失效的高温(超过500℃)下使用。
[0009]大多数的银纳米颗粒的用途涉及热和压力，以实现紧密互连；压力辅助的烧结方法需要投入大量资本投资于压力施加设备，并且具有非常低的制造吞吐量，且过程中的高压也可能导致芯片裂开。
[0010]美国专利号8257795涉及一种浆料，其金属颗粒全为纳米颗粒，可在加热过程中选择使用压力，然而，完全由纳米颗粒制成的浆料可能较难进行加工。在一个方面，由于纳米颗粒容易结块，导致浆料堵塞点胶器，并影响最终粘结层的密度，导致可加工性降差；此外，金属纳米颗粒通常比微米范围尺寸颗粒更昂贵，增加了浆料成本和使用浆料的装置的总成本。表1中比较了不同的传统芯片贴装材料的效能。
[0011]表1﹕传统芯片贴装材料的效能
[0012]因此，本领域需要改进芯片贴装材料，使其可用于在高温半导体装置(例如GaN或SiC基器件)和基板之间形成互连层。
技术实现思路
[0013]本专利技术提供了高温半导体装置与基板之间的自致密互连层，其中该高温半导体装置选自GaN或SiC体系装置，该互连层包括具有微米级银颗粒的基质，其约占10
‑
60重量百分比，且该微米级银颗粒具有约0.1
‑
15微米的粒径；并使用键合颗粒化学结合微米级银颗粒的基质，该键合颗粒是一种具有原位(in
‑
situ)形成的较小的表面银纳米颗粒的核心银纳米颗粒，该表面银纳米颗粒透过化学结合的方式与核心银纳米颗粒结合，同时也透过化学结合的方式与具有微米级银颗粒的基质结合，且该键合颗粒具有约10至约100纳米的核心粒径，而该原位形成的表面银纳米颗粒具有约3
‑
9纳米的粒径。
[0014]在另一方面，该微米级银颗粒是银薄片或近似球形的银颗粒。
[0015]在另一方面，该基板包括厚度约为0.1至0.3微米的银或金层。
[0016]在另一方面，本专利技术提供一种三峰(trimodal)的自致密互连银浆，该浆料包括10
‑
60重量百分比的基质银颗粒，其约为微米等级，平均粒径为0.1
‑
15微米，且该浆料还包括10
‑
60重量百分比的键合银纳米颗粒，该键合银纳米颗粒具有尺寸约10
‑
100纳米的核心银纳米颗粒。核心银纳米颗粒具有聚合物包覆层，其包含溶解或悬浮的银盐前驱物，银盐前驱物可形成粘结到核心银纳米颗粒表面的表面银纳米颗粒，且该核心银纳米颗粒具有约10
‑
100纳米的粒径，因此可形成具有3
‑
9nm纳米粒径的表面纳米颗粒的复合银纳米颗粒。该浆
料还包括10
‑
20重量百分比的至少一种还原性溶剂和0.1
‑
1重量百分比的抗氧化还原剂。
[0017]在另一方面，该浆料可包含30
‑
50重量百分比的基质颗粒、10
‑
30重量百分比的键合颗粒和20
‑
40重量百分比的溶剂。
[0018]在另一方面，该浆料可包含20
‑
50重量百分比的基质颗粒、30
‑
40重量百分比的键合颗粒和20
‑
30重量百分比的溶剂。
[0019]在另一方面，该浆料可包含30
‑
40重量百分比的基质颗粒、30
‑
40重量百分比的键合颗粒和20
‑
30重量百分比的溶剂。
[0020]在另一方面，该浆料可包含20
‑
40重量百分比的基质颗粒、30
‑
50重量百分比的键合颗粒和10...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种在选自GaN或SiC体系的高温半导体装置与基板之间形成的自致密互连层，其特征在于，包括：具有微米级银颗粒的基质，其含量占10
‑
60重量百分比，且所述微米级银颗粒的粒径范围为0.1至15微米；键合颗粒，所述键合颗粒可与所述具有微米级银颗粒的基质融合，其是一种表面具有原位形成的较小的表面银纳米颗粒的核心银纳米颗粒，其中所述原位形成的表面银纳米颗粒透过化学结合的方式结合于所述核心银纳米颗粒的表面，并也透过化学结合的方式与所述具有微米级银颗粒的基质结合，其中所述键合颗粒具有10至100纳米的核心粒径，而所述原位形成的表面银纳米颗粒具有约3至9纳米的粒径。2.根据权利要求1所述的自致密互连层，其中所述微米级银颗粒选自银薄片或近似球形的银颗粒。3.根据权利要求1所述的自致密互连层，其中所述基板包括厚度为0.1至0.3微米的银或金层。4.一种三峰自致密互连银浆，其特征在于，包括：10至60重量百分比的平均粒径为0.1至15微米的约微米等级的基质银颗粒；10至60重量百分比的键合银纳米颗粒，所述键合银纳米颗粒具有约为10至100纳米的核心银纳米颗粒，所述核心银纳米颗粒具有聚合物包覆层，其包含溶解或悬浮的银盐前驱物，所述银盐前驱物可形成粘结到所述核心银纳米颗粒表面的表面银纳米颗粒；10至20重量百分比的至少一种还原性溶剂；以及0.1至1重量百分比抗氧化还原剂。5.根据权利要求4所述的三峰互连银浆，其中所述三峰自致密互连银浆进一步包含0.1
‑
1重量百分比的非导电填料。6.根据权利要求4所述的三峰互连银浆，其中所述约微米等级的基质银颗粒选自银薄片或近似球形的银颗粒。7.根据权利要求4所述的三峰互连银浆，其中所述聚合物包覆层是聚乙烯吡咯烷酮。8.根据权利要求4所述的三峰互连银浆，其中所述银盐前驱物选自硝酸银、氯化银、乙酸银或硫酸银中的一种或多种。9.根据权利要求4所述的三峰互连银浆，其中所述至少一种还原性溶剂选自乙二醇、二甘醇、三甘醇或聚乙二醇中的一种或多种。10.根据权利要求4所述的三峰互连银浆，其中所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：王悦辰，徐涛，傅丽，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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