掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法技术

本发明专利技术属于焊接材料技术领域，具体涉及一种掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法，焊膏包括溶剂型还原剂、有机溶剂以及质量占比57.5％～62.5％的2～4μm的微米级铜颗粒、32.5％～37.5％的0.2～0.8μm的亚微米级铜颗粒、4.2％～4.6％的20～80nm的纳米级铜颗粒0.4％～0.8％的镀铜碳纳米管，以上组分混合制备而成焊膏；其中，镀铜碳纳米管的制备方法为：将外径为20～80nm、长度为10～50μm的碳纳米管通过磁控溅射设备沉积上铜颗粒，然后将碳纳米管通过电化学沉积的方式镀铜。本发明专利技术提供了一种具有高导电性、高导热性和高熔点的新型焊料，以满足功率器件低温烧结和高温运行的要求。和高温运行的要求。和高温运行的要求。

【技术实现步骤摘要】
掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法


[0001]本专利技术属于焊接材料
，具体涉及一种掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，在功率模块中，芯片与基板连接的最常用材料是焊料合金。这种焊料合金可以分为两类：锡铅焊料和无铅焊料。传统的锡铅焊料具有工艺温度低、操作成本低等优点。然而，锡铅焊料中的铅是一种有毒的重金属元素，含有铅的电力电子产品很难回收，对环境造成污染并危害生物健康。
[0003]纳米铜具有良好的低温连接和高温工作性能，具备优秀的电热传输能力，且价格相对低廉，对环境绿色无害，被认为是最有前途的互连材料，但是纳米铜易氧化，烧结后连接不紧密，存在多孔结构使得电导率降低。
[0004]而近年来，电动汽车和航空航天电子的快速发展推动了对更高效、更高性能电子设备的需求。因此，宽带隙半导体在各种应用中获得了极大的关注和采用。与传统半导体相比，宽带隙半导体材料表现出多种优势，包括更高的击穿电压、更快的开关速度和更低的功率损耗，使其成为大功率和高频电子器件的理想用途。然而，宽带隙半导体功率器件的高温、高频和高功率密度工作环境对器件封装材料构成了重大挑战。特别是，由于传统含铅焊料的熔点低和导热性不足，很容易导致芯片连接故障。同时，锡铅焊料对环境造成的危害使其不再适合第三代半导体器件的封装。
[0005]因此，迫切需要研究具有高导电性、高导热性和高熔点的新型焊料，以满足功率器件低温烧结和高温运行的要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术意在提供一种掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法，以提供一种具有高导电性、高导热性和高熔点的新型焊料，以满足功率器件低温烧结和高温运行的要求。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的方案为：掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法，其中：
[0008]焊膏包括溶剂型还原剂、有机溶剂以及质量占比57.5％～62.5％的2～4μm的微米级铜颗粒、32.5％～37.5％的0.2～0.8μm的亚微米级铜颗粒、4.2％～4.6％的20～80nm的纳米级铜颗粒0.4％～0.8％的镀铜碳纳米管，以上组分混合制备而成焊膏；
[0009]其中，镀铜碳纳米管的制备方法为：
[0010]将外径为20～80nm、长度为10～50μm的碳纳米管通过磁控溅射设备沉积上铜颗粒，然后将碳纳米管通过电化学沉积的方式镀铜。
[0011]本方案的工作原理及有益效果在于：通过磁控溅射在碳纳米管表面沉积少量铜颗粒，在随后的电化学沉积过程为铜的成核和生长提供活性位点，由此可获得均匀致密的镀
铜碳纳米管，碳纳米管镀铜后与铜颗粒间的界面结合得到显著改善。
[0012]本方案采用微米级铜颗粒、亚微米级铜颗粒以及纳米级铜颗粒实现了更高的填充密度，减少了焊膏烧结后焊层中的空洞，形成了更为致密的接头，同时也减少了铜和氧气的接触，同时利用焊膏中的还原性有机溶剂将烧结过程中的铜氧化物还原成铜，从而减少烧结过程中的氧化，进一步提高剪切强度。
[0013]本方案中的焊膏能实现超过25MPa的高剪切强度。同时利用碳纳米管的高电导率来改善焊层导电性能，实现低于3μΩ
·
cm的低电阻率。
[0014]本方案中的焊膏烧结后熔点接近块体铜，远高于传统锡基焊膏，实现低温烧结、高温服役的功能。
[0015]本方案使用铜为焊膏的基体材料，镀铜碳纳米管仅为少量添加部分，质量占比不到1％，在保证相近的热电性能上，本焊膏用于芯片与基板互联时成本相较于纳米银膏更为低廉。
[0016]本方案使用铜为基体，与纳米银膏相比，减少了银的电化学迁移现象，有利于提升芯片互连结构的长期可靠性，延长半导体器件的使用寿命。
[0017]纳米银膏与铜基板连接时，银、铜互相扩散的速率存在差异，在长期使用过程中会造成银层的孔隙，影响焊接层的长期可靠性，同时降低了焊接层的性能。而采用本方案中的铜颗粒复合焊膏与铜基板互联可避免银、铜互相扩散不均的问题，提高器件可靠性。
[0018]可选地，溶剂型还原剂包括乙二醇。
[0019]可选地，有机溶剂的质量占比为10％～15％。
[0020]可选地，有机溶剂包括乙醇、松油醇、聚乙二醇、甘油、一缩二乙二醇、二缩二乙二醇、一缩二丙二醇、二甲苯、正庚烷、甲苯、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺的至少一种。
[0021]可选地，通过磁控溅射设备在碳纳米管上沉积铜颗粒时，溅射功率200W，偏压800V，溅射时间10～25s。
[0022]可选地，在通过电化学沉积的方式镀铜时，含水电解质为浓度为160～200g/L的硫酸铜、浓度为20～40mL/L的硫酸和浓度为30～35μL/L的盐酸的混合物，碳纳米管作为阴极，纯铜片作为阳极，阴极电流设定为0.6～0.8A。通过此方法能够形成镀铜碳纳米管，使用不同的沉积时间来制备具有不同铜壳厚度的碳纳米管。
[0023]可选地，镀铜碳纳米管中镀铜层厚度为4nm～20nm。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例中镀铜碳纳米管的结构示意图；
[0025]图2为本专利技术实施例中掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏用于芯片与基板互联示意图。
具体实施方式
[0026]下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0027]说明书附图中的标记包括：碳纳米管1、镀铜层2、芯片3、芯片镀层4、基板镀层5、基板6、铜颗粒复合焊膏层7。
[0028]实施例
[0029]本实施例基本如图1、图2所示：掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法：
[0030]将外径为20～80nm、长度为10～50μm的碳纳米管1通过磁控溅射设备沉积上铜颗粒，溅射功率200W，偏压800V，溅射时间10～25s。含水电解质为浓度为180g/L的硫酸铜、浓度为30mL/L的硫酸和浓度为33μL/L的盐酸的混合物，将碳纳米管1作为阴极，纯铜片作为阳极，阴极电流设定为0.6～0.8A。通过控制沉积时间，在镀铜碳纳米管1中沉积厚度为4nm的镀铜层2，制备所得的镀铜碳纳米管1示意图如图1所示。将微米级铜颗粒(2～4μm)、亚微米级铜颗粒(0.2～0.8μm)、纳米级铜颗粒(20～80nm)以及镀铜碳纳米管1以60:35:4.4:0.6的质量比混合，将80wt％混合颗粒、15wt％乙二醇和5wt％去离子水经超声分散10min制备纳米颗粒焊膏。
[0031]将焊膏丝网印刷至金属镀膜处理后的、含有银Ag、金Au、锡Sn、镍Ni、钛Ti等常用金属以及这些金属的基板镀层5的基板6上，形成厚度80μm的铜颗粒复合焊膏层7，将具有Ti/Ni/Ag等金属的芯片镀层4的面积为10mm*10mm的芯片3放置于焊膏上，在150℃的条件下预热10min，再在Ar和H2气体混合的烧结气氛中在5MPa压力及300℃下烧结25min，如图2所示。
[0032]对烧结接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法，其特征在于：焊膏包括溶剂型还原剂、有机溶剂以及质量占比57.5％～62.5％的2～4μm的微米级铜颗粒、32.5％～37.5％的0.2～0.8μm的亚微米级铜颗粒、4.2％～4.6％的20～80nm的纳米级铜颗粒0.4％～0.8％的镀铜碳纳米管，以上组分混合制备而成焊膏；其中，镀铜碳纳米管的制备方法为：将外径为20～80nm、长度为10～50μm的碳纳米管通过磁控溅射设备沉积上铜颗粒，然后将碳纳米管通过电化学沉积的方式镀铜。2.根据权利要求1所述的掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法，其特征在于：溶剂型还原剂包括乙二醇。3.根据权利要求2所述的掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法，其特征在于：有机溶剂的质量占比为10％～15％。4.根据权利要求3所述的掺杂镀铜碳纳米管的多尺寸铜颗粒复合焊膏及其制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈显平，李金城，戴东方，钱靖，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：