[发明专利]一种铜纳米颗粒互连材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜纳米颗粒互连材料的制备方法，该方法采用液相还原的合成方法，属于纳米金属材料领域。本发明是首先将二价铜盐、还原剂次磷酸钠、高分子稳定剂聚乙烯醇及去离子水按不同的质量百分比混合；其次将该铜盐水溶液加热至70℃-90℃，保温90-150分钟获得聚乙烯醇包覆铜纳米颗粒的分散液；然后将该铜纳米颗粒分散液用去离子水进行多次离心分离并洗涤，保存至去离子水或乙醇中得到互连用铜纳米颗粒分散液；最后将铜纳米颗粒分散液浓缩，将其涂在两块铜片之间，置于箱式炉中加热连接铜基片。该方法的优点在于成本低、制备方法绿色环保、原材料廉价易得等特点，适合大规模的工业化生产，制备出的聚乙烯醇包覆铜纳米颗粒在200nm-500nm之间，可用于制备互连用纳米金属材料。

背景技术

近年来，微电子系统向高功率、高密度集成、小型化以及多功能化等方向发展，对电子封装互连用材料在性能和热管理等方面提出了更高的要求，如一次性实现耐高温互连(大于200℃)或者多级封装需要前级互连兼具低温连接以及耐高温特性等。满足这些要求的互连材料可以应用在大功率半导体发光二极管、高温宽禁带半导体(SiC、GaN等)以及汽车引擎功率电子器件等领域。贵金属银以及以80Au-20Sn为代表的合金材料(熔点约280℃)是两类比较典型的耐高温互连材料。一方面，银具有导电性强、导热率大、熔点高以及综合力学性能优异等优点，已广泛应用于微电子领域；另一方面，80Au-20Sn等合金材料具有导热和导电性能好、抗腐蚀、抗蠕变等优点，目前在大功率半导体激光器芯片焊接以及陶瓷绝缘子金属封装等光电领域已经获得了广泛的应用。但是这两种材料的价格都比较昂贵，而且银在潮湿环境中的抗电迁移能力较弱，会导致引起电路短路。以铋基、金基、铅基、锌基等为代表的合金材料以及银材料虽然可以满足电子器件耐高温的性能，但是由于合金材料的熔化温度太高，不适合应用在需要低温连接电子器件的场合。另外，无铅化也是电子封装的必然趋势。为了克服上述问题，提出制备银纳米材料，通过银的纳米化降低银的烧结驱动力，由此降低银的烧结温度。考虑到银纳米材料制作的成本因素，限制了银纳米互连材料的发展。因此，急需寻找银纳米材料的替代品。由于铜纳米材料具有良好的延展性、优异的导热导电性，而且抗电迁移能力比银纳米材料强等性能。因此，为了降低互连材料的成本，提出采用成本廉价且高导电性的铜纳米颗粒代替银纳米互连材料。

目前，合成铜纳米材料的方法主要有辐射合成法、机械研磨法、等离子体溅射法、模板法、微乳液法、水热法以及液相化学还原法等。在这些制备方法中物理方法，如等离子体溅射，所需设备一般都比较昂贵，制得的铜纳米颗粒粒径较大且分布不均一，表面缺乏包覆材料，因此容易氧化。化学制备方法中的液相还原法由于不需要特别的容器、操作简便、过程易控制以及可以实现批量生产等特点，因此最受关注。它是一种采用还原剂，将溶液中的二价铜离子还原至零价的方法。目前已报导的反应体系主要有：在水溶液体系中用硼氢化钠、硼氢化钾或L-抗坏血酸等还原金属盐前驱体(硝酸铜、硫酸铜、氯化铜等)，结合表面稳定剂防止铜纳米颗粒氧化，如水-硫酸铜-硼氢化钠-十二烷基硫酸钠、水-氯化铜-水合肼(N₂H₄·H₂O)-十六烷基三甲基溴化铵、水-硝酸铜-L-抗坏血酸-聚乙烯吡咯烷酮、水-硝酸铜-硼氢化钠-聚乙烯醇等；在有机溶剂体系中用1，2-二羟基十六烷、L-抗坏血酸或次磷酸钠等还原金属盐前驱体(硫酸铜、醋酸铜、氯化铜、氢氧化铜等)，结合表面稳定剂防止铜纳米颗粒氧化，如乙二醇-硫酸铜-L-抗坏血酸-聚乙烯吡咯烷酮、二乙二醇-硫酸铜-次磷酸钠-聚乙烯吡咯烷酮、辛醚-硫酸铜-1，2-二羟基十六烷-聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇-氢氧化铜-L-抗坏血酸-聚乙二醇等。基于上述方法获得的铜纳米材料主要用于制备纳米铜导电浆料以及喷墨打印用纳米铜导电墨水中，而在低温烧结互连应用中的铜纳米颗粒体系仅包括有机多元醇溶剂体系中用次磷酸钠还原硫酸铜、醋酸铜、氯化铜等，并用聚乙烯吡咯烷酮包覆防止铜纳米颗粒表面氧化；水溶液体系中用水合肼还原氯化铜、硝酸铜、醋酸铜等，并用十六烷基三甲基溴化铵包覆防止铜纳米颗粒表面氧化。但是，由于合成体系中的有机溶剂和还原剂一般都有毒，影响环境及人类健康，而且有机溶剂的采用会增加铜纳米颗粒的生产成本。因此这些反应体系的使用受到了一定的限制。

发明内容