【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及铜膏用铜粉，具体涉及一种两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉及其制备方法与制备铜膏的应用；该铜膏适用于功率芯片和功率器件封装材料。
技术介绍
1、随着电动汽车、5g通信、航空航天、工业自动化和新能源等领域对高性能、高可靠性能源转换和高频率操作需求的不断增长，功率半导体在电力转换和高效能源利用方面的作用愈来愈重要。然而，传统硅基半导体器件在高温、高压和高频等严苛条件下的表现逐渐显现出局限性。第三代半导体材料，如碳化硅(sic)和氮化镓(gan)，以其高频率、高功率、高耐温性以及更低的能量损耗的优异特性，正在逐步引领功率半导体技术的新发展。
2、第三代半导体材料和器件的出现对封装材料提出了更高的要求，然而传统的封装材料无法满足封装后结构高温服役的苛刻要求。目前，用于大功率器件封装的纳米银膏低温烧结技术已得到广泛研究和应用，但烧结银接头电子迁移和离子迁移率高，易导致芯片或器件中小间距银互连接头产生短路而发生故障；同时银价格昂贵，极大限制了纳米银膏在大功率器件封装的应用。由于铜的价格约为银价格的百分之一，且具有较好的导电导热和较强的抗电迁移和离子迁移能力，因此纳米铜膏烧结互连技术因其巨大发展潜力和广阔的应用前景受到了众多研究者的关注。
3、目前大多采用单一尺度粒径的铜粉来制备铜膏，单一尺度粒径的铜粉制备的铜膏中颗粒间存在较多的空隙，导致烧结后烧结体内部空隙较多，致密度较低。研究人员大都将独立的纳米铜粉与微米铜粉进行机械混合以提高铜粉的堆积密度，以实现铜膏烧结后具有较高的致密度。然而这一方法需单独准
4、中国专利技术专利cn109926577b公开了一种可用于低温烧结并可获得低孔隙率的铜膏。该铜膏包括：球状铜颗粒，片状铜颗粒，片状铟颗粒和高链接树脂；两种铜颗粒占比80％以上，铟颗粒占比在10–20％之间，高链接树脂占比在0–10％之间。该铜膏膏体在无压情况下，烧结温度可低至180–250℃左右，烧结后致密度达到95％以上。该铜膏添加了10–20％的铟颗粒，有利于降低烧结温度，但其价格高昂，实用性有限，难以大规模应用。
5、中国专利技术专利cn 114054746 b公开了粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末，由粒径分别为5–15nm的纳米颗粒铜粉、120–210nm的亚微米颗粒铜粉和1–2μm的微米片铜粉组成；其亚微米颗粒铜粉和微米片铜粉表面包覆纳米颗粒铜粉。该技术的铜粉末由还原剂与反应液在80–100℃搅拌下反应，反应产物经离心后清洗所得；反应液由铜盐、有机酸和有机胺形成的复合分散剂与乙二醇混合所得。但从该专利的说明书描述以及附图1可见明显看出，三峰分布铜粉末中纳米颗粒铜粉包覆在亚微米颗粒铜粉和微米片铜粉表面，而亚微米颗粒铜粉并未包覆在微米片铜粉表面，尤其是易于烧结的小纳米颗粒铜粉的含量较少，纳米颗粒铜粉无论在亚微米颗粒铜粉表面还是在微米片铜粉表面都较少，没有形成致密包覆，形成的铜粉整体堆积密度低，导致其对于功率芯片封装的界面结合能力较差，因而该专利技术主要应用于柔性基板的直接印刷电路，而难以应用在功率芯片和功率器件封装中。
技术实现思路
1、为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种两步工艺一次即可制得，重复性好，成本低，有利于规模化生产的致密堆积且粒径呈三峰分布的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉及其制备方法。
2、本专利技术另一目的在于提供所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉在制备铜膏的应用，克服现有铜膏中难以在低温和无压的烧结条件下获得致密烧结组织和高强度互连接头的难题，同时简化了烧结工艺，该铜膏可以应用在功率芯片和功率器件封装中。
3、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
4、两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉，由长度为1–2μm的微米铜片以及直径为5–15nm和40–100nm两种粒径的纳米铜颗粒组成；其中微米铜片被两种粒径的纳米铜颗粒完整紧密包裹，且粒径5–15nm纳米的铜颗粒紧密地包覆在粒径40–100nm的纳米铜颗粒周围，三种铜粉呈现粒径三峰分布和颗粒致密堆积的团聚体。
5、所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法：在反应釜内的第一预制液中加入弱还原剂，得初始反应液，在80–120℃温度下对初始反应液持续搅拌，得片状铜粉悬浮液；片状铜粉悬浮液中先加入强还原剂，再加入第二预制液，形成最终反应液，维持温度80–120℃持续搅拌，得到三种不同粒径铜粉悬浮液；冷却，离心，洗涤，得两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉；
6、所述的第一预制液由无机铜盐、有机酸、胺类化合物与多元醇溶剂混合，并在80–100℃温度下持续搅拌获得；
7、所述的第二预制液由有机铜盐、有机酸与多元醇溶剂混合，并在80–100℃温度下持续搅拌后获得；
8、优选地，所述的无机铜盐为碳酸铜、碱式碳酸铜、硫酸铜、氢氧化铜、氯化铜和三水合硝酸铜中的一种或多种；
9、所述的有机酸为草酸、甘氨酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸、丙酸和油酸中的一种或多种；
10、所述的胺类化合物为油胺、乙二胺、甲醇胺、三乙醇胺、n,n-二甲基乙醇胺、一异丙醇胺、二异丙醇胺、三异丙醇胺和二乙烯三胺中的一种或多种；
11、所述的多元醇溶剂为乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、异丙醇和正丙醇中的一种或多种；
12、所述的有机铜盐为乙酸铜、氨基酸铜、松脂酸铜、柠檬酸铜和络氨铜中的一种或多种。
13、优选地，第一预制液中，所述的无机铜盐的浓度为30–80g/l，有机酸和胺类化合物的总浓度为300–600g/l，其中有机酸与胺类化合物的质量浓度比为1:1–5:1；
14、第二预制液中，所述的有机铜盐的浓度为30–80g/l，有机酸的浓度为400–1200g/l。
15、优选地，所述弱还原剂为柠檬酸钠、次亚磷酸钠、亚磷酸钠、酒石酸钾、双氧水和葡萄糖中的一种或多种；
16、所述强还原剂为水合肼、硫酸肼、硼氢化钠、抗坏血酸和四丁基硼氢化铵中的一种或多种。
17、优选地，所述的弱还原剂在初始反应液中的浓度为400–800g/l；所述强还原剂在最终反应液中的浓度为200–500g/l。
18、优选地，在片状铜粉悬浮液、三种不同粒径铜粉悬浮液、第一预制液和第二预制液的制备中，持续搅拌的速率为400–600r/min，第一预制液和第二预制液的制备中搅拌的时间为5–20min，片状铜粉悬浮液制备的搅拌的时间为10–60min，三种不同粒径铜粉悬浮液制备的搅拌的时间为10–30min；...
【技术保护点】
1.两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉，其特征在于，由长度为1–2μm的微米铜片以及直径为5–15nm和40–100nm两种粒径的纳米铜颗粒组成；其中微米铜片被两种粒径的纳米铜颗粒完整紧密包裹，且粒径5–15nm纳米的铜颗粒紧密地包覆在粒径40–100nm的纳米铜颗粒周围，三种铜粉呈现粒径三峰分布和颗粒致密堆积的团聚体。
2.权利要求1所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，在反应釜内的第一预制液中加入弱还原剂，得初始反应液，在80–120℃温度下对初始反应液持续搅拌，得片状铜粉悬浮液；片状铜粉悬浮液中先加入强还原剂，再加入第二预制液，形成最终反应液，维持温度80–120℃持续搅拌，得到三种不同粒径铜粉悬浮液；冷却，离心，洗涤，得两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉；
3.根据权利要求2所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，所述的无机铜盐为碳酸铜、碱式碳酸铜、硫酸铜、氢氧化铜、氯化铜和三水合硝酸铜中的一种或多种；
4.根据权利要求2或3所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的
5.根据权利要求2所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，所述弱还原剂为柠檬酸钠、次亚磷酸钠、亚磷酸钠、酒石酸钾、双氧水和葡萄糖中的一种或多种；
6.根据权利要求2或5所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，所述的弱还原剂在初始反应液中的浓度为400–800g/L；所述强还原剂在最终反应液中的浓度为200–500g/L。
7.根据权利要求2所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，在片状铜粉悬浮液、三种不同粒径铜粉悬浮液、第一预制液和第二预制液的制备中，持续搅拌的速率为400–600r/min，第一预制液和第二预制液的制备中搅拌的时间为5–20min，片状铜粉悬浮液制备的搅拌的时间为10–60min，三种不同粒径铜粉悬浮液制备的搅拌的时间为10–30min；
8.权利要求1所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉制备铜膏的应用。
9.根据权利要求8所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉制备铜膏的应用，其特征在于，将两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉与有机溶剂进行均匀搅拌并脱泡后制成铜膏；所述的有机溶剂为乙二醇、丙二醇、丙三醇、二乙二醇、松油醇和聚乙二醇中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉制备铜膏的应用，其特征在于，所述的均匀搅拌是通过行星式重力搅拌机混合；
...【技术特征摘要】
1.两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉，其特征在于，由长度为1–2μm的微米铜片以及直径为5–15nm和40–100nm两种粒径的纳米铜颗粒组成；其中微米铜片被两种粒径的纳米铜颗粒完整紧密包裹，且粒径5–15nm纳米的铜颗粒紧密地包覆在粒径40–100nm的纳米铜颗粒周围，三种铜粉呈现粒径三峰分布和颗粒致密堆积的团聚体。
2.权利要求1所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，在反应釜内的第一预制液中加入弱还原剂，得初始反应液，在80–120℃温度下对初始反应液持续搅拌，得片状铜粉悬浮液；片状铜粉悬浮液中先加入强还原剂，再加入第二预制液，形成最终反应液，维持温度80–120℃持续搅拌，得到三种不同粒径铜粉悬浮液；冷却，离心，洗涤，得两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉；
3.根据权利要求2所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，所述的无机铜盐为碳酸铜、碱式碳酸铜、硫酸铜、氢氧化铜、氯化铜和三水合硝酸铜中的一种或多种；
4.根据权利要求2或3所述的两种纳米粒径铜粉致密包覆微米铜片的铜粉的制备方法，其特征在于，第一预制液中，所述的无机铜盐的浓度为30–80g/l，有机酸和胺类化合物的总浓度为300–600g/l，其中有机酸与胺类化合物的质量浓度比为1:1–5:1；
5.根据权利要求2所述的两种纳米粒径铜粉致密...
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