一种二维层状碳氮化合物和铜的层状复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维层状碳氮化合物和铜的层状复合材料的制备方法，本发明专利技术采用兼具陶瓷性能和金属性能的Ti3C2T

【技术实现步骤摘要】
一种二维层状碳氮化合物和铜的层状复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及电子封装复合材料制备领域，具体涉及一种应用于引线框架和基板的MXene与铜的层状复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]2021年，中国半导体器件和集成电路专用设备行业市场规模达1705.84亿元，同比增长49.9％。但由于受到各方面的限制，中国半导体企业难以获取关键技术和设备，同时国内半导体产业链的不完善和不平衡，导致中国半导体企业在高端芯片、封装测试、特种材料等领域仍存在较大差距，为解决这种卡脖子技术问题，必须加强基础研究和技术创新。
[0003]芯片的本质是半导体加集成电路，而电子封装就是指将半导体与集成电路组装成最终产品——芯片的整个过程。引线框架和基板都是电子封装中重要的组成部分，需要较高的导电性能和优秀的热学性能。基板是支撑芯片和引线的平面结构，通常采用铜箔覆盖的玻璃纤维或者陶瓷等高导电性材料；引线框架是集成电路中芯片的载体，是一种借助键合材料实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接，形成电气回路的关键结构件，起到固定芯片、保护内部元件，传递电信号并向外散发原件热量的作用。为实现这些功能，材料要求具有良好的导电导热性能、低热膨胀系数、足够的强度刚度和热成型性以及易加工性。当下为保证引线框架的导电性导热性，通常其材料为铜，然而与此同时封装材料为保护电路芯片免受周围环境的影响，其材料通常选择陶瓷，玻璃等热膨胀系数较低的材料。因此，引线框架材料与封装材料的热膨胀系数的不匹配就容易使芯片在使用发热的过程中导致TSVPumping，严重影响芯片的使用寿命。
[0004]为解决上述问题，就需要引线框架的材料在保留其原有的良好导电性和导热性能的同时，具有与封装材料相匹配的低热膨胀系数，本专利技术采取的二维层状碳氮化合物与铜层状复合的办法可以有效获得符合上述条件的材料。
[0005]MXene材料作为一种新型的二维材料，通过将前体MAX相中键能较弱的A层刻蚀掉以获得，自其在2011年被报道出来后，大量科研人员钻研其中，迄今为止，已经实验产生出了30多种化学计量的MXene，由于其可扩展性，亲水性，易加工性以及优秀的光学，电学和机械性能被广泛应用于电化学储能，电磁干扰屏蔽，医学等各个领域之中。MXene具有与金属相似的导电性能和导热性能，同时具有较低的热膨胀系数。采取将MXene与铜层状复合的方法可以在保留铜原有的高导电性和高导热性能的前提下有效降低铜的热膨胀系数，实现引线框架和封装材料的热膨胀系数匹配，避免TSVPumping，使得芯片具有更长的使用寿命，适应更高温度的工作环境。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对引线框架与封装材料热膨胀系数不匹配的问题，提供了一种具备叠层复合构型，降低铜基体的热膨胀系数，提高铜基体的电导率的二维层状碳氮化合物MXene和铜的层状复合材料的制备方法。
[0007]本专利技术二维层状碳氮化合物MXene和铜的层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：刻蚀
[0009]将氢氟酸和盐酸以1:4的质量比加入塑料容器中，置于搅拌台上搅拌至均匀混合后缓慢加入适量Ti3AlC2，由于在Ti3AlC2中，Ti
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C键是共价键，而Ti
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Al键是金属键，因此MAX层与层之间的键较难被机械破碎，但由于Ti
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Al键比Ti
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C键能更弱，所以选择性地刻蚀Ti
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Al键来刻蚀掉Al原子，从而得到Ti3C2T
X
。将容器置于恒温搅拌台上在10～55℃下以350
‑
600rpm的速度搅拌12～24小时以刻蚀掉Al层，获得多层MXene。
[0010]步骤2：插层
[0011]蚀刻后，MXene以多层形式存在，由二维MXene薄片组成，由范德华力堆叠在一起，因此为得到单片层的MXene纳米片需要对多层的MXene进行插层。将刻蚀反应完成后的液体倒入离心管中以3000
‑
12000rpm的速度离心1
‑
5小时，倒掉澄清的上清液，在离心管中加入去离子水后充分摇匀并再次离心，重复上述步骤直至上清液的pH值≥6后，将离心管中下层沉淀转移至塑料容器中，加入适量LiCl，在30
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40℃下以300
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1000rpm的速度搅拌12～24小时实现对多层MXene的充分插层以获得单片层的MXene。将充分插层后的MXene悬浮液倒入离心管中，以适当的速度离心，将澄清的上清液倒掉并加入去离子水再次离心用以清洗反应剩余的LiCl，重复上述步骤直至上清液变成黑色，上清液中的黑色悬浮颗粒为纳米级单片层MXene。在上清液变成黑色后，将黑色上清液倒入容器中留用。重复离心并在每次离心后将黑色上清液倒入容器中留用，直至上清液颜色变淡。
[0012]步骤3：表面修饰
[0013]将步骤2收集的黑色上清液进行高速离心浓缩获得黑色沉淀，将黑色沉淀置于玻璃培养皿中，将培养皿放置在冷冻干燥机中进行冷冻干燥。充分干燥后，将干燥得到的单片层MXene固体取0.2g加入适量去离子水，再加入一定量的PDDA搅拌12
‑
36小时。反应后将液体以3000
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12000rpm的速度离心1
‑
3小时，倒出上清液，并加入去离子水，重复离心3～6次以清洗反应剩余的PDDA。清洗干净后将PDDA改性的MXene进行冷冻干燥留用。PDDA为强阳离子聚电解质，在水中溶解后氯离子被分解，剩下的聚合物带正电，因此PDDA可用于修饰MXene表面所带电荷，由于MXene材料表面有羟基或末端氧，羟基或末端氧有着过渡金属碳化物的金属导电性，因此单片层MXene在水中表面带负电，PDDA可以与MXene静电吸附，充分反应后，PDDA覆盖于单片层MXene的表面，不仅实现了MXene所带电荷的转变，还能一定程度上缓解MXene的氧化变质。
[0014]步骤4：电镀
[0015]将清洗干净后的PDDA改性的MXene放置于500ml的烧杯中，加入适量去离子水，将烧杯置于恒温水浴搅拌锅中搅拌；再称量适量CuSO4·
5H2O倒入另外的烧杯中作为镀铜过程中的铜离子来源，加入适量的去离子水后加入5
‑
30ml的H2SO4以增强溶液中的离子含量增加铜的电镀速度，随后将烧杯同样放入恒温水浴搅拌锅进行搅拌准备进行电镀，恒温水域搅拌锅的温度设定为15
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30℃。铜层电镀过程中使用含磷量为0.2％
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0.4％的铜板作为阳极。电镀过程中若采用惰性电极作为阳极，则随着电镀过程的进行溶液中铜离子的含量会不断降低，影响电镀的结果，若采用纯铜板作为阳极，在电镀过程中铜板会不断析出微小的铜粉混在镀液中导致镀液的污染，若采用含磷量大于0.4％的铜板作为阳极，在镀液的酸性条件
下，铜板表面会由于含磷量过高生成一层灰黑色的钝化膜，导致阳极板钝化无法进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维层状碳氮化合物和铜的层状复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：刻蚀将氢氟酸和盐酸以1:4的质量比加入容器中，置于搅拌台上搅拌至均匀混合后缓慢加入Ti3AlC2，将容器置于恒温搅拌台上在10～55℃下以350
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600rpm的速度搅拌12～24小时以刻蚀掉Al层，获得多层MXene；步骤2：插层将步骤1刻蚀反应完成后的液体倒入离心管中，离心后倒掉澄清的上清液，在离心管中加入去离子水后充分摇匀并再次离心，重复上述步骤直至上清液的pH值≥6后，将离心管中下层沉淀转移至塑料容器中，加入LiCl，在30
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40℃下搅拌12～24小时实现对多层MXene的充分插层以获得单片层的MXene；将充分插层后的MXene悬浮液倒入离心管中，离心后将澄清的上清液倒掉并加入去离子水再次离心用以清洗反应剩余的LiCl，重复上述步骤直至上清液变成黑色，上清液中的黑色悬浮颗粒为纳米级单片层MXene；在上清液变成黑色后，将黑色上清液倒入容器中留用；重复离心并在每次离心后将黑色上清液倒入容器中留用，直至上清液颜色变淡；步骤3：表面修饰将步骤2收集的黑色上清液离心浓缩获得黑色沉淀，将黑色沉淀置于玻璃培养皿中，将培养皿放置在冷冻干燥机中进行冷冻干燥；将干燥得到的单片层MXene固体取0.2g加入去离子水，再加入PDDA搅拌12
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36小时；反应后将液体离心，倒出上清液，并加入去离子水，重复离心3～6次以清洗反应剩余的PDDA，随后将PDDA改性的MXene进行冷冻干燥留用；步骤4：电镀首先在阴极上进行铜层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋阳，高陈钰，邓汲坤，王泽川，何家兴，童国庆，刘君武，仲洪海，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：