[发明专利]纳米铜焊膏、其制备方法及铜-铜键合的方法

说明书

本发明属于电子材料技术领域，公开了一种纳米铜焊膏、其制备方法以及利用该种纳米铜焊膏实现铜‑铜键合的方法。本发明所提供的纳米铜焊膏，以质量百分含量计包含纳米铜颗粒50～90％，醇胺5～25％，粘度调节剂0～45％。使用本发明所提供的纳米铜焊膏进行铜‑铜键合，不但可降低烧结温度，还可避免纳米铜颗粒的氧化和团聚；在200℃空气气氛中即可完成烧结并得到具有较高剪切强度的铜‑铜互连结构。

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，特别涉及一种纳米铜焊膏、其制备方法以及利用该种纳米铜焊膏实现铜-铜键合的方法。

背景技术

随着电子封装密度的提高和宽禁带半导体功率器件的迅猛发展，使用传统的锡基无铅焊料进行铜-铜键合存在以下缺陷：(1)在工艺过程中焊料会与铜材料形成较厚的金属间化合物(IMC)层，IMC脆性大，在器件使用过程中易发生断裂失效；(2)焊料熔点低，当用于宽禁带半导体大功率芯片封装的芯片贴装材料时，无法适应功率器件工作时的高温环境。

银、铜等纳米金属颗粒制备的焊膏是替代锡基无铅焊料的材料，由于纳米颗粒的尺寸效应，其可以在较低的温度下进行烧结，纳米颗粒烧结后熔点升高，并具备良好的导电导热性能。其中，纳米铜材料具有优良的导热、导电性能，且相对于纳米银材料具有更低的价格和更好的抗电迁移性能。

然而，利用纳米铜颗粒实现铜-铜直接键合仍面临许多困难，纳米铜颗粒在合成过程中容易团聚，在储存和烧结过程中容易氧化，氧化后的铜不仅导电性能变差，而且更难烧结，造成铜-铜键合的导电性能变差、互连强度下降。降低烧结温度和提升纳米铜材料在烧结过程中的抗氧化性是实现铜-铜键合需解决的主要问题。如能采用纳米铜颗粒制备的焊膏实现低温空气气氛下的铜-铜键合，将在电子封装领域具备广阔的应用前景。

为避免纳米铜焊膏在烧结过程中的氧化，现有方法有两种。第一种方法是将整个烧结过程置于真空环境或者保护气氛(如采用氮气或惰性气体)中，这样可降低纳米铜材料与氧接触的可能。但是，无论采用真空还是保护气氛，都需要烧结过程在密闭环境中进行，真空及保护气体的使用带来烧结成本的增加，密闭环境还会带来烧结过程中操作的困难性。第二种方法是使用还原性气氛，将纳米铜表面的氧化铜还原为铜。常用的还原性气氛为氢气、氩氢混合气体、甲酸气氛等，这些气体的使用不但提高了烧结成本，还因使用了易爆气体(如氢气)、强腐蚀性气体(如甲酸气氛)，存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米铜焊膏、其制备方法以及利用该种纳米铜焊膏实现铜-铜键合的方法，以解决现有的纳米铜焊膏在空气气氛中烧结易氧化的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式所提供的纳米铜焊膏，以质量百分含量计包含：纳米铜颗粒：50～90％，醇胺5～25％，粘度调节剂0～45％。

可选地，醇胺可以选自2-氨基乙醇、2-氨基-1-丙醇、2-氨基-1-丁醇、1-氨基-2-丙醇、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、N-甲基二乙醇胺、3-二甲基氨基-1,2-丙二醇、3-二乙基氨基-1,2-丙二醇或2-氨基-2-乙基-1,3-丙二醇等。

可选地，粘度调节剂可以选自乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇、丙酮、丁酮、环己酮、二丙酮醇、乙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙二醇单甲醚、乙二醇丁醚、二乙二醇单甲醚、二乙二醇丁醚和松油醇等中的一种或几种的混合物。

另外，纳米铜颗粒可以是市售或任何一种现有技术中的方法制备的任何形貌的纳米铜颗粒；可以是一种尺寸的纳米铜颗粒、也可以是多种尺寸的纳米铜颗粒的混合物。并且，本发明的实施方式所提供的纳米铜焊膏具有合适的粘度，具体来说，纳米铜焊膏的粘度为50～800Pa·s。