[发明专利]一种抗氧化纳米铜焊膏及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种抗氧化纳米铜焊膏及其制备方法和应用，通过采用磁控溅射工艺在纳米铜粉末表面均匀包覆金属膜，该金属膜成分可根据需要选用银、金等；再延用传统纳米铜焊膏配方，添加适量成型助剂，最终制备成抗氧化抗裂纹的抗氧化纳米铜焊膏。与现有技术相比，本发明的新型纳米铜焊膏可通过低温烧结工艺或加压低温烧结工艺实现芯片与基板互连，具备传统纳米铜焊膏功能，同时具有抗氧化性、抗裂纹萌生及扩展性能，可用于大功率、高温电子器件封装中，尤其适用于第三代半导体器件封装，封装后接头性能良好，能够在高温下长时间无故障服役，并且与现有无铅焊料封装工艺相匹配。

技术领域

本发明涉及电子封装互连材料领域，尤其是涉及一种抗氧化纳米铜焊膏及其制备方法和应用。

背景技术

功率半导体器件主要朝三维异构集成和高开关频率发展，本质问题体现为大功率密度、高温应用、高可靠性需求和系统小型化；尤其是在汽车电子、涡轮机、航空航天、工业电子、深井挖掘等领域中器件均面临高温应用需求，所处极端环境温度大多在300℃以上。传统硅器件最大结温为150-200℃，难以满足其需求，而SiC等宽禁带半导体器件工作结温可以在500-550℃，工作结温的提高可以使器件应用在更高环境温度的条件下，同时可以有效减轻器件重量、体积、成本和热管理的复杂性。综上可见，未来的技术趋势基本以宽禁带半导体为主，SiC型功率半导体解决方案也是未来各界仰赖的革命性发展方向。

然而，在实际应用中，SiC器件仍然被使用在200℃以下，难以发挥SiC器件的低损耗高电性能的优势，这主要是受到传统硅器件封装材料的限制。焊料已经成为了宽禁带半导体器件封装及大功率器件高温封装的技术瓶颈之一，影响了更高功率等级器件应用的普及和发展。因此，亟需寻求与之相适应的焊料及焊接工艺，开发新的封装材料，能够在300～600℃下化学、物理、电性能稳定的同时材料界面稳定，且成本低、工艺可控，并能延用现有封装设备，成为当前面临的重大挑战。

当颗粒尺寸变小时，颗粒表面能增加，纳米颗粒材料的熔点低于其对应块体材料的熔点。将纳米金属颗粒作为芯片贴装材料，既实现了低温烧结，又保留了烧结后金属本身的高熔点特性，很好地满足了宽禁带半导体器件封装高温应用的需求。弗吉尼亚理工大学陆国权教授等首先提出了纳米银膏的低温烧结技术，并申请美国发明专利(No:12/019,450)，相关研究已进行了近十五年。然而，纳米银膏存在以下问题难以解决，包括易电迁移失效、焊接强度低而难以满足高速列车等高可靠性要求、成本高而难以实现批量生产等。

相比而言，纳米铜焊膏则具有高焊接强度、高可靠性、低成本的优点，Lee等人(B.H.Lee,M.Z.Ng,A.A.Zinn,and C.L.Gan,“Evaluation of copper nanoparticles forlow temperature bonded interconnections,”presented at the 2015 IEEE 22ndInternational Symposium on the Physical and Failure Analysis of IntegratedCircuits,2015,pp.102–106.A.A.Zinn,“NanoCopper as a Soldering Alternative:Solder-Free Assembly,”pp.1–4,Nov.2016.)提出了纳米铜焊膏的制备方法，并申请美国发明专利(US20130161571A1和US20150284412A1)。纳米铜颗粒的成本明显低于纳米银颗粒，有望在未来批量应用于功率电子器件高温应用中。

然而，纳米铜焊膏易氧化这个问题一直难以解决。纳米金属颗粒活性高，加速了铜的氧化，即使低温储存也难以阻止其氧化过程，纳米铜颗粒表层氧化膜不仅直接影响导电，降低烧结后接头电学性能；同时氧化膜还影响颗粒间烧结质量，进而降低接头强度和界面强度。现有的研究中较为有效的抗氧化方法主要是采用调整有机钝化层、控制烧结气氛、快速烧结、增加银包覆层等方法，其中包括哈尔滨工业大学提出的一种纳米银包覆铜粉低温烧结焊膏(公开号：CN103521945A)，然而从成本、可控性、易操作性等方面综合来看，效果并不显著。