CN102922177A

CN102922177A - 纳米金属间化合物焊膏及其制备方法

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Publication number: CN102922177A
Application number: CN2012104111004A
Authority: CN
Inventors: 王春青; 钟颖; 杭春进
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: CN102922177B

Abstract

纳米金属间化合物焊膏及其制备方法，属于材料技术领域。本发明的纳米金属间化合物焊膏按照质量比由纳米金属间化合物颗粒80～90、分散剂2～8、粘结剂2～8、稀释剂2～8和助焊剂2～8制成，具体方法为：采用共沉淀水热还原法制备纳米金属间化合物颗粒，将其与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，再利用超声波震荡、手动搅拌或机械搅拌方法使以上体系在有机溶剂中均匀一致的分散，再将多余溶剂挥发出去，制成纳米金属间化合物焊膏。该焊膏以纳米金属间化合物颗粒为固体成分，利用纳米材料的尺寸效应，实现低于块体熔点温度的互连过程，避免对元器件的高温损伤、避免连接界面的过度反应、实现长效高温服役、降低封装成本。

Description

纳米金属间化合物焊膏及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种焊膏及其制备方法，具体涉及一种可用于电子器件的封装和组装互连，且其实际服役温度高于其施焊温度的纳米金属间化合物焊膏及其制备方法。

背景技术

电子工业的发展对电子元器件提出了多功能化、高性能化、高密度化的要求，焊点尺寸持续微小化使得散热问题日益突出，自2006年进入无铅时代后，作为替代材料的无铅钎料或导电胶等却体现出较差的高温性能，为保障封装体系的可靠性，只能通过限制集成密度或加强散热系统等方法来实现，这便大大阻碍了高密度化的进程也使得生产成本步步攀升。因此，提出或发明一种能够在高温下持续可靠工作的连接材料势在必行。

传统互连方法，如钎焊，要求服役温度必须低于连接温度，要想提高服役温度必须选择熔点更高的钎料。然而，过高的连接温度会造成元器件的高温损伤，且高温下连接界面的过度反应易导致过量金属间化合物的生成，以及连接界面可靠性的下降，即工艺性和高温可靠性不可兼得。

纳米银焊膏实现了低温连接高温服役，根据纳米颗粒的尺寸效应可使其熔点降至100℃以下，150℃即可实现连接，且其接头服役温度可达到300℃以上，即实现了低温连接高温服役；然而，其连接工艺时间较长（连接温度为150℃时，连接时间需在30min以上才可形成稳定连接）、接头为多孔结构（孔隙率约为15%，影响导电导热性能）、成本较高，制约了该材料的广泛应用。

大多制备纳米级金属间化合物的方法都存在一定限制，如：高能球磨法能量消耗大、产物颗粒度不均匀、易引入杂质，溶液反应法生成产物主要呈树枝状，反相微乳液法生成产物为非晶，电子束辐照法能耗、低产量高，喷雾热解法能量消耗大、收集率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在较低温度实现连接但却能在更高温度下服役的纳米金属间化合物焊膏及其制备方法，该焊膏以纳米金属间化合物颗粒为固体成分，利用纳米材料的尺寸效应，实现低于块体熔点温度的互连过程，避免对元器件的高温损伤、避免连接界面的过度反应、实现长效高温服役、降低封装成本。

所述目的是通过如下方案实现的：

纳米金属间化合物焊膏按照质量比由纳米金属间化合物颗粒80～90、分散剂2～8、粘结剂2～8、稀释剂2～8和助焊剂2～8制成，具体步骤如下：

步骤一：将金属盐作为先驱体，按照待制备化合物的相应原子比置于带有聚四氟乙烯衬里的高压釜中，该化合物可为A: Au、Ni、Cu、Ag与B: Sn、Bi、Zn的金属间化合物等材料体系；

步骤二：向高压釜中加入占其容积60~80%的水；

步骤三：向先驱体中加入还原剂、络合剂后立即密封高压釜并加热至80℃~110℃，加压至0.5~3MPa；

步骤四：反应5~20h时间后，使高压釜自然冷却至室温，取出沉淀产物；

步骤五：将所获得的沉淀物以3000~5000r/min的转速离心分离，再用去离子水和乙醇清洗三次以上；

步骤六：在100~130℃下真空干燥20~30h，即可获得直径为20~60nm的金属间化合物颗粒；

步骤七：为防止团聚等现象出现，应向其中加入聚乙二醇、硬脂酸、鱼油等修饰剂，且金属间化合物颗粒与修饰剂质量比为10：1~20:1；

步骤八：将以上纳米颗粒与用以均匀分散纳米粒子的分散剂如硬脂酸、十二胺、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺、鱼油等，可保持聚合物稳定的粘结剂如α-松油醇等，用于改善焊膏印刷性和流动性的稀释剂酒精或萜品醇等，以及用于改善润湿性能和去除氧化膜的助焊剂松香适量混合，其中固体含量80%以上；所述纳米颗粒与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂的质量比为80～90：2～8：2～8：2～8：2～8；

步骤九：利用超声波震荡、手动搅拌或机械搅拌等方法使以上体系在醇、酮、苯类有机溶剂中均匀一致的混合，并保证颗粒良好的分散性，再将多余溶剂挥发出去，制成纳米金属间化合物焊膏，其中固体含量80%以上。

本发明采用纳米级金属间化合物代替纳米银焊膏中的纳米银颗粒，以达到降低生产成本，提高生产效率，节省互连工艺时间等目的。本发明利用共沉淀水热还原法制备纳米级金属间化合物，简单、便捷、高效，成本低，产物纯度高、结晶度高、形态优良，具有巨大的开发潜能和应用前景。制成焊膏后，纳米颗粒很大的表面活性可为其烧结过程提供强大的驱动力，实现了远低于其块体熔点的与传统回流焊工艺兼容的低温连接（峰值温度280℃以下），并形成性能优良的接头，在低成本、与传统工艺兼容性好、生产效率高的前提下实现了低温键合高温服役。以该焊膏制成的接头与常用焊盘兼容性高，成本低，抗剪强度、抗温度循环、抗蠕变、抗冲击等可靠性指标都可满足相关要求，可以广泛应用于LED、功率组件、高温元件、超环境应用器件等的封装中。

附图说明

图1是纳米金属间化合物Cu₆Sn₅制备过程示意图；

图2是纳米Cu₆Sn₅焊膏制备示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和2所示，本实施方式结合制备Cu₆Sn₅纳米焊膏的具体方法对本发明进行详细描述：

步骤一：将含有CuCl₂和SnCl₂的金属盐作为先驱体，按照2:1~1.2:1的比例置于高压釜的聚四氟乙烯衬里中；

步骤二：向高压釜中加水，至其体积的60~80%；

步骤三：加入适量还原剂和络合剂，立即密封高压釜，加压至1.2MPa，并加热至80~110℃，其中还原剂可为KBH₄、N₂H₄或Zn，络合剂可为丙二胺；

步骤四：反应5~20h后，将高压釜自然冷却至室温，取出沉淀产物备用；

步骤五：将以上沉淀产物置于离心机中进行离心分离，转速4000r/min，后用去离子水清洗，再用乙醇清洗三次；

步骤六：将产物于100~130℃下真空干燥15~24h，产物主要为Cu₆Sn₅，不含Cu₃Sn等杂质；

步骤七：用聚乙二醇对产物进行表面修饰，防止团聚等发生，修饰剂质量为纳米颗粒质量的8%；

步骤八：将以上纳米颗粒与分散剂鱼油、粘结剂α-松油醇、稀释剂酒精及萜品醇、松香按照质量比80:4:5:6:5混合；

步骤九：利用超声波震荡方法使纳米Cu₆Sn₅颗粒在有机溶剂丙酮中均匀一致的分散，再将多余溶剂挥发出去，制成纳米Cu₆Sn₅焊膏，其中固体含量80%以上，其抗拉强度可达30MPa以上。

具体实施方式二：本实施方式结合制备Ni₃Sn₄纳米焊膏的具体方法对本发明进行详细描述：

步骤一：将含有NiCl₂和SnCl₂的金属盐作为先驱体，按照3:4的比例置于高压釜的聚四氟乙烯衬里中；

步骤二：向高压釜中加水，至其体积的60~80%；

步骤三：加入适量还原剂和络合剂，立即密封高压釜，加压至1.2MPa，并加热至80~110℃，其中还原剂可为KBH₄，络合剂可为丙二胺；

步骤五：将以上沉淀产物置于离心机中进行离心分离，并用去离子水清洗，再用乙醇清洗三次；

步骤六：将产物于100~130℃下真空干燥15~24h；

步骤七：用聚乙二醇对产物进行表面修饰，防止团聚等发生，修饰剂质量为纳米颗粒质量的7%；

步骤八：将以上纳米颗粒与分散剂鱼油、粘结剂α-松油醇、稀释剂酒精及萜品醇、松香按照质量比80:5:4:6:5混合；

步骤九：利用超声波震荡方法使纳米Ni₃Sn₄颗粒在有机溶剂丙酮中均匀一致的分散，再将多余溶剂挥发出去，制成纳米Ni₃Sn₄焊膏，其中固体含量80%以上。

Claims

1.一种纳米金属间化合物焊膏，其特征在于所述纳米金属间化合物焊膏按照质量比由纳米金属间化合物颗粒80～90、分散剂2～8、粘结剂2～8、稀释剂2～8和助焊剂2～8制成。

2.根据权利要求1所述的纳米金属间化合物焊膏，其特征在于所述纳米金属间化合物颗粒为A：Au、Ni、Cu或Ag与B：Sn、Bi或Zn的金属间化合物材料体系。

3.根据权利要求1所述的纳米金属间化合物焊膏，其特征在于所述焊膏中还加入有修饰剂，金属间化合物颗粒与修饰剂质量比为10：1~20:1。

4.根据权利要求1所述的纳米金属间化合物焊膏，其特征在于所述分散剂为硬脂酸、十二胺、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺或鱼油；所述粘结剂为α-松油醇；所述稀释剂为酒精或萜品醇；所述助焊剂为松香。

5.根据权利要求3所述的纳米金属间化合物焊膏，其特征在于所述修饰剂为聚乙二醇、硬脂酸或鱼油。

6.一种纳米金属间化合物焊膏的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：采用共沉淀水热还原法制备纳米金属间化合物颗粒；

步骤二：将纳米金属间化合物颗粒与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂按照质量比为80～90：2～8：2～8：2～8：2～8的比例混合；

步骤三：利用超声波震荡、手动搅拌或机械搅拌方法使以上体系在有机溶剂中均匀一致的分散，再将多余溶剂挥发出去，制成纳米金属间化合物焊膏。

7.根据权利要求6所述的纳米金属间化合物焊膏的制备方法，其特征在于所述有机溶剂为醇、酮或苯类有机溶剂。

8.根据权利要求6所述的纳米金属间化合物焊膏的制备方法，其特征在于所述共沉淀水热还原法制备纳米金属间化合物颗粒包括如下步骤：

步骤一：将金属盐作为先驱体，按照待制备化合物的相应原子比置于带有聚四氟乙烯衬里的高压釜中，该化合物为A: Au、Ni、Cu、Ag与B: Sn、Bi、Zn的金属间化合物材料体系；

步骤二：向高压釜中加入占其容积60~80%的水；

步骤三：向先驱体中加入还原剂、络合剂后立即密封高压釜并加热至80~110℃，加压至0.5~3MPa；

步骤六：在100~130℃下真空干燥20~30h，即可获得直径为20~60nm的金属间化合物颗粒。

9.根据权利要求6所述的纳米金属间化合物焊膏的制备方法，其特征在于：向步骤六中加入聚乙二醇、硬脂酸或鱼油修饰剂，金属间化合物颗粒与修饰剂质量比为10：1~20:1。

10.根据权利要求6所述的纳米金属间化合物焊膏的制备方法，其特征在于所述还原剂为KBH₄、N₂H₄或Zn，络合剂为丙二胺。