[发明专利]一种铜纳米颗粒焊膏的制备方法及其产品

说明书

本发明属于纳米技术和电子制造领域，并公开了一种铜纳米颗粒焊膏的制备方法及其产品。该方法包括：(a)将铜盐和短碳链(C₃‑C₅)醇氨络合剂溶解于溶剂中形成溶液，在该溶液中加入还原剂，然后搅拌使其充分反应，反应后获得铜纳米颗粒分散液；(b)将铜纳米颗粒分散液离心得到铜纳米颗粒，然后洗涤和真空干燥处理，由此获得干燥的铜纳米颗粒，将其溶解于有机溶剂中，真空搅拌获得所需的铜纳米颗粒焊膏。本发明还公开了利用该方法获得的产品。通过本发明，制备的铜纳米颗粒焊膏成本低、抗氧化性好，且焊膏中的铜纳米颗粒的粒径分布均匀，无团聚，同时制备方法易于控制，成本低和工艺简便。

技术领域

本发明属于纳米技术和电子制造领域，更具体地，涉及一种铜纳米颗粒焊膏的制备方法及其产品。

背景技术

随着系统级高密度集成封装和大功率电子器件的不断发展，摩尔定律受到严重的挑战，而三维封装凭借其高密度集成、小型化、低功耗和低成本等优势，成为延续摩尔定律的重要技术途径之一。众所周知，低温键合技术能为三维封装提供优良的电热通道和机械支撑，是实现三维封装的关键性技术之一。目前，含铅焊料依然广泛应用于电子封装领域，但含铅焊料的使用会对环境和人体健康造成伤害，不符合节能环保和绿色制造的发展趋势。因此，研制一种性能优良的无铅焊料是电子制造领域亟待解决的技术难题。已开发应用的无铅焊料主要包括铋基焊料、锌基焊料和金基焊料。这些焊料虽然有效避免了含铅焊料的使用，但依然存在脆性大(铋基焊料)、不耐腐蚀(锌基焊料)和高成本(金基焊料)等缺点。此外，这些焊料层在高温下可能出现锡回流，易导致电路短路失效，难以在三维封装和大功率电子器件中得到广泛的应用。

近年来，随着纳米技术的不断发展，纳米材料的小尺寸效应引起学术界和工业界的广泛关注。凭借纳米金属材料的小尺寸效应，纳米金属焊膏能实现低温烧结，高温服役的目标，为低温互连和三维封装提供了一种新的技术路线。银纳米颗粒焊膏虽然具有电导率和热导率高、易烧结和力学性能优良等优点，但银的价格昂贵和抗离子迁移性差，极大地限制了其应用前景。另一方面，铜不但具有优良的热导率和电导率，而且具有价格便宜(大约是银价格的1/100)和抗离子迁移性好等优点，成为理想的低温互连材料之一，不幸的是，铜纳米颗粒化学性质活泼，在空气中极易氧化，而表面的氧化物会显著地增加互连温度和降低电导率。虽然铜纳米颗粒表面包覆的有机高分子(聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基溴化铵或树脂等)能有效地减少氧化和团聚的发生，但在制备和存放的过程中依然会发生不同程度的氧化。此外，有机高分子包覆层的分解温度一般高于300℃，高于低温互连温度，使得大量的有机物残留在键合层，影响了键合层的热稳定性和电导率。不少研究者通过制备核壳纳米颗粒(铜-银、铜-镍、铜-二氧化硅或铜-石墨烯等)来进一步抑制铜纳米颗粒的氧化，但这种核壳结构制备工艺复杂，成本高于铜纳米颗粒，并且核壳结构在高温下产生相分离也会降低电导率。因此，开发一种低成本、抗氧化的铜纳米颗粒焊膏将极大地促进低温互连和三维封装等电子产业的发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铜纳米颗粒焊膏的制备方法及其产品，短碳链(C₃-C₅)醇氨络合剂与铜盐溶于溶剂，通过配位键形成络合铜离子化合物；然后通过还原剂的作用，使得铜离子还原成铜纳米颗粒。络合剂与铜纳米颗粒之间的配位键有效抑制了铜纳米颗粒的氧化和团聚，由此解决铜纳米颗粒易氧化的技术难题，从而实现低温键合和高温服役的目的，此外，短碳链(C₃-C₅)醇氨络合剂的分解温度低，在低温互连时能有效的去除，从而提高了铜纳米颗粒键合层的键合质量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铜纳米颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将铜盐和短碳链(C₃-C₅)醇氨络合剂溶解于溶剂中，形成铜离子络合物溶液，在该溶液中加入还原剂，然后搅拌使其充分反应，反应后获得铜纳米颗粒分散液。其中，搅拌时间为0.5h～12h；