CN108624271A - 一种含铜导电粘结剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含铜导电粘结剂，其包括如下重量份的组分：55～85份粒径小于15微米的铜粉，1～5份磷硅酸盐玻璃，3～10份抗氧化剂，5～25份醇，3～10份双酚A型环氧树脂，1～7份有机载体。本发明的含铜导电粘结剂原料易得，成本低廉，组分环保，浆料稳定性高，粘度适中，高温下不易氧化，并且制备方法简单，使用时可在空气中低温烧结，不需要高温。本发明的含铜导电粘结剂可代替锡铅焊料应用于微电子领域，粘结剂图形化方便，铜层致密连续、铜层电阻和热阻低，图形精度可控。

Description

一种含铜导电粘结剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种含铜导电粘结剂及其制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展，部件之间的连接除了传统的焊接、铆接、榫接、螺接等方法外，用粘结剂连接也越来越广泛。微电子各种新型高密度封装形式的出现，集成电路正向着高集成度、布线细微化、芯片大型化发展，与之相适应的基板材料除了具备低应力、低热膨胀外，还必须具备高效的散热功能，以及与半导体材料相匹配的热膨胀系数以减小元器件与基板之间的热应力。
目前，在电子工业上实现金属和陶瓷基板、高分子材料、玻璃等材料之间的相互结合的方法主要有锡铅焊料、厚膜法及钼锰法、导电银浆等。锡铅材料熔点低且熔点可调，但锡铅焊料不符合环保发展的趋势；厚膜法制备的厚膜导电导热性能比较差，且烧结的温度为1000℃以上；钼锰法是较成熟的工艺过程，通过在基体材料和金属化层相互扩散实现陶瓷和金属化层良好的附着力，但是烧结的温度往往为1500℃以上，还需要一定的保护气氛，且这种方法所形成的中间层热阻仍然较大，不利于在大功率电路、功率模块等领域中迅速散热；导电银浆粘结剂在芯片和基板之间的连接中，应用最广泛，但存储要求苛刻，价格昂贵。
铜的热导率为400W/m·K，电导率0.0172μΩ·m是最常用的导电粘结剂的材料之一，可利用铜金属的高导热性能将这些微电子功率器件或芯片所负载在基板上的元器件产生的热量导出，利用铜金属的高导电性能形成导电通路。近年来,陶瓷直接敷铜(DBC)基板综合了铜与陶瓷的优异性能，而应用于大功率器件中，但在其制备过程中需精确控制微量氧的含量，这很难在工业生产中准确做到。因此研究出合适的导电粘结剂体系和简便的工艺方法以实现导电层使陶瓷、高分子材料、玻璃等紧密结合是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的上述不足，提供一种含铜导电粘结剂，原料易得，成本低廉，组分环保，导电性好，粘结剂图形化方便，铜层致密连续、铜层电阻和热阻低，图形精度可控，可应用于微电子领域。
本发明的另一目的在于提供上述含铜导电粘结剂的制备方法，工艺简单、烧结温度低。
技术方案
一种含铜导电粘结剂，包括如下重量份的组分：55～85份铜粉，1～5份磷硅酸盐玻璃，3～10 份抗氧化剂，5～25份醇，3～10份双酚A型环氧树脂，1～7份有机载体。
所述铜粉的粒径小于15微米。
所述磷硅酸盐玻璃由如下重量份的组分制备而成：氟化锂0.05～0.2份，硝酸锌0.05～0.3 份，硼酸1.5～5份，氯化钡0.1～2.5份，硝酸钙0.5～5.5份，硅酸钠2.5～7.5份，硝酸铝 0.5～2.5份，氯化钠1.5～5份，氯化铍0.01～0.2份，氯化铜0.25～1.0份，磷酸10～20份，去离子水50～80份。制备方法：按配方中的计量比称取各组分，加热并搅拌混合均匀，得到澄清液体，将澄清液体加入到反应釜中，在190～220℃、5～8MPa下反应2～5h，得到反应产物，将反应产物在8000～12000r/min的转速下离心30～60min，再过滤、烘干，即得。
进一步，所述抗氧化剂选自氧化石墨烯、淀粉、Sn粉、Zn粉或活性炭中的一种或两种以上任意比例的组合物。
进一步，所述有机载体选自蓖麻油、聚乙二醇、乙酸丁酯、钛酸正丁酯、乙基纤维素或甲基纤维素中一种或两种以上任意比例的组合。
进一步，所述醇选自乙醇、丁醇、乙二醇、异丁醇、丙三醇或松油醇中的一种或两种以上任意比例的组合。
上述含铜导电粘结剂的制备方法：按计量比称取铜粉、磷硅酸盐玻璃、抗氧化剂、醇、双酚A型环氧树脂和有机载体，混合后研磨均匀，即得。
上述含铜导电粘结剂的应用方法：将含铜导电粘结剂涂敷在基材表面，形成厚度为 30～100μm的涂层，再将待粘结的板材与之压连，然后置于80～450℃热处理1～3h，得到连接后的基材。
上述应用方法中，所述基材为陶瓷基板、高分子材料基板或玻璃基板中的任意一种。
有益效果：本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明的含铜导电粘结剂原料易得，成本低廉，组分环保，浆料稳定性高，粘度适中，高温下不易氧化。
2、本发明的铜导电粘结剂的制备方法简单，使用时可在空气中低温烧结，不需要高温。
3、本发明的含铜导电粘结剂可代替锡铅焊料应用于微电子领域，粘结剂图形化方便，铜层致密连续、铜层电阻和热阻低，图形精度可控。
附图说明
图1为实施例1的含铜导电粘结剂的XRD图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
下述实施例中，所用的磷硅酸盐玻璃的配方为：氟化锂0.1份，硝酸锌0.2份，硼酸1.5 份，氯化钡0.6份，硝酸钙3.5份，硅酸钠7份，硝酸铝1.5份，氯化钠3份，氯化铍0.1 份，氯化铜0.5份，磷酸17份，去离子水65份。制备方法：按配方中的计量比称取各组分，加热并搅拌混合均匀，得到澄清液体，将澄清液体加入到反应釜中，在200℃、6MPa下反应 4h，得到反应产物，将反应产物在10000r/min的转速下离心40min，再过滤、烘干，即得。
实施例1
一种含铜导电粘结剂，包括如下重量份的组分：
70份铜粉，3份磷硅酸盐玻璃，3份抗氧化剂，16份醇，4份双酚A型环氧树脂，4份有机载体。其中，抗氧化剂为活性碳粉，醇为丙三醇，所述有机载体为蓖麻油、聚乙二醇和乙酸丁酯的混合物(三者重量比为1：0.7:2.3)，所述铜粉的粒径为10μm以下。
含铜导电粘结剂的制备方法：
按计量比称取铜粉、磷硅酸盐玻璃、抗氧化剂、醇、双酚A型环氧树脂和有机载体，混合后，在卧式球磨机上球磨4小时，即得含铜导电粘结剂。
该含铜导电粘结剂的XRD图见图1，铜粘结剂主晶相为金属铜，这保证了该粘结剂的导热和导电性。
应用：
所述敷铜基材的制备方法为：
S1：将氧化铝陶瓷片先后放入乙醇和丙酮溶液中分别清洗15min，烘干后在涂层机上通过旋转涂覆将本实施例的含铜导电粘结剂均匀悬涂在氧化铝陶瓷表面，涂层厚度为50μm；
S2、在真空装置中，将硅芯片与步骤S1中所制备的涂敷有含铜导电粘结剂的氧化铝基板压连；
S3、将步骤S2制得的基材放入箱式电炉中，在空气下加热至400℃，保温1h并随炉冷却，待烧结试样冷却至室温后取出。将其中制得的中间有铜导电粘结剂层的基材乙醇或丙酮清洗，再进行余料处理，得到所述中间为铜层的氧化铝基板。用涂层附着力自动划痕仪测试结合强度为32N，四探针测试仪测试方块电阻为4.5mΩ。
实施例2
一种含铜导电粘结剂，包括如下重量份组分：
57份铜粉，5份磷硅酸盐玻璃，3份抗氧化剂，20份醇，5份双酚A型环氧树脂，7份有机载体。其中，抗氧化剂为淀粉，醇为乙二醇，所述有机载体为蓖麻油、乙基纤维素和乙酸丁酯的混合物(三者重量比为5：0.8:4.2)，所述铜粉的粒径为15μm以下。
含铜导电粘结剂的制备方法：按计量比称取铜粉、磷硅酸盐玻璃、抗氧化剂、醇、双酚 A型环氧树脂和有机载体，混合后，在卧式球磨机上球磨6小时，即得含铜导电粘结剂。
应用：
S1、将氮化铝陶瓷片先后放入乙醇和丙酮溶液中分别清洗15min；烘干后在丝网印刷机上将本实施例的含铜导电粘结剂均匀悬涂在氮化铝陶瓷片陶瓷表面，涂层厚度为30μm；
S2、在真空装置中，将LED芯片与步骤S1中制备的涂敷有含铜导电粘结剂的氮化铝基板连接；
S3、步骤S2制得的基材放入箱式电炉中，在空气下加热至450℃，保温2.5h并随炉冷却，待烧结试样冷却至室温后取出。将其中制得的中间有铜导电粘结剂层的基材乙醇或丙酮清洗，再进行余料处理，得到所述中间为铜层的氮化铝基板。用涂层附着力自动划痕仪测试结合强度为40N，四探针测试仪测试方块电阻为6.5mΩ。
实施例3
一种含铜导电粘结剂，包括如下重量份组分：
82份铜粉，2份磷硅酸盐玻璃，3份抗氧化剂，5份醇，3份双酚A型环氧树脂，7份有机载体。其中，抗氧化剂为氧化石墨烯，醇为松油醇，所述有机载体为蓖麻油、甲基纤维素和钛酸正丁酯的混合物(三者重量比为3：1:3)，所述铜粉的粒径为15μm以下。
含铜导电粘结剂的制备方法：按计量比称取铜粉、磷硅酸盐玻璃、抗氧化剂、醇、双酚A型环氧树脂和有机载体，混合后，在卧式球磨机上球磨8小时，即得含铜导电粘结剂。
应用：
S1、将铝合金基材先后放入乙醇和丙酮溶液中分别清洗15min；烘干后在丝网印刷机上将本实施例的含铜导电粘结剂均匀悬涂在铝合金基材表面，涂层厚度为30μm；
S2、在真空装置中，将高分子PCB板与步骤S1中制备的涂敷有含铜导电粘结剂的铝合金基材连接；
S3、步骤S2制得的基材放入箱式电炉中，在空气下加热至80℃，保温2.0h并随炉冷却，待试样冷却至室温后取出。将其中制得的中间有铜导电粘结剂层的基材乙醇或丙酮清洗，再进行余料处理，得到所述中间为铜层的铝合金基材。用涂层附着力自动划痕仪测试结合强度为24N，四探针测试仪测试方块电阻为2.5mΩ。

Claims (7)

1.一种含铜导电粘结剂，其特征在于，包括如下重量份的组分：55～85份铜粉，1～5份磷硅酸盐玻璃，3～10份抗氧化剂，5～25份醇，3～10份双酚A型环氧树脂，1～7份有机载体；
所述铜粉的粒径小于15微米；
所述磷硅酸盐玻璃由如下重量份的组分制备而成：氟化锂0.05～0.2份，硝酸锌0.05～0.3份，硼酸1.5～5份，氯化钡0.1～2.5份，硝酸钙0.5～5.5份，硅酸钠2.5～7.5份，硝酸铝0.5～2.5份，氯化钠1.5～5份，氯化铍0.01～0.2份，氯化铜0.25～1.0份，磷酸10～20份，去离子水50～80份。
2.如权利要求1所述的含铜导电粘结剂，其特征在于，所述磷硅酸盐玻璃的制备方法：按配方中的计量比称取各组分，加热并搅拌混合均匀，得到澄清液体；将澄清液体加入到反应釜中，在190～220℃、5～8MPa下反应2～5h，得到反应产物；将反应产物在8000～12000r/min的转速下离心30～60min，再过滤、烘干，即得。
3.如权利要求1所述的含铜导电粘结剂，其特征在于，所述抗氧化剂选自氧化石墨烯、淀粉、Sn粉、Zn粉或活性炭中的一种或两种以上任意比例的组合物。
4.如权利要求1所述的含铜导电粘结剂，其特征在于，所述有机载体选自蓖麻油、聚乙二醇、乙酸丁酯、钛酸正丁酯、乙基纤维素或甲基纤维素中一种或两种以上任意比例的组合。
5.如权利要求1或2或3或4所述的含铜导电粘结剂，其特征在于，所述醇选自乙醇、丁醇、乙二醇、异丁醇、丙三醇或松油醇中的一种或两种以上任意比例的组合。
6.权利要求1至5任一项所述的含铜导电粘结剂的制备方法，其特征在于，按计量比称取铜粉、磷硅酸盐玻璃、抗氧化剂、醇、双酚A型环氧树脂和有机载体，混合后研磨均匀，即得。
7.权利要求1至5任一项所述的含铜导电粘结剂的应用方法，其特征在于，将含铜导电粘结剂涂敷在基材表面，形成厚度为30～100μm的涂层，再将待粘结的板材与之压连，然后置于80～450℃热处理1～3h，得到连接后的基材。
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