CN112238310A - 铜焊膏、铜焊膏制备方法和芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铜焊膏、铜焊膏制备方法和芯片。铜焊膏包括如下质量百分比的各组分：复合铜浆料：95％至99.8％；导电导热碳基材料：0.2％至5％。本发明通过在复合铜浆料中加入导电导热碳基材料，提高了铜焊膏的导电和导热性能，同时也增强了焊膏的力学性能。

Description

铜焊膏、铜焊膏制备方法和芯片

技术领域

本申请属于半导体功率器件封装技术领域，具体而言，涉及一种铜焊膏、铜焊膏制备方法和芯片。

背景技术

在相关技术中，电力电子器件是否能应用于高温、高频、高效率、大功率领域，不仅取决于半导体材料的性能，而且还受到电子封装技术的限制。封装技术的好坏对整个封装系统的光、电、热等性能起到决定性作用。近年来，第三代半导体材料迅猛发展。基于新一代材料的半导体芯片能在250℃甚至更高的温度下工作，传统的焊料已经无法满足要求，而最近新发展起来的纳米铜低温烧结技术在下一代功率器件中展现出巨大的潜力，利用纳米铜等金属烧结技术实现芯片与基板的连接，连接接头虽具有良好的导电性、导热性及很高的剪切强度，但相较于块状金属，烧结铜的孔隙率高且致密度极难提高。其电导率和热导率不及块状金属的20％，因此，需要在保证铜焊膏良好的力学性能的基础上，提高焊膏的电特性和热学特性。

发明内容

根据本发明的实施例旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

根据本发明的实施例的第一目的在于提供一种铜焊膏。

根据本发明的实施例的第二目的在于提供一种铜焊膏制备方法。

根据本发明的实施例的第三目的在于提供一种芯片。

为实现根据本发明的实施例的第一目的，本发明的技术方案提供了一种铜焊膏，包括如下质量百分比的各组分：复合铜浆料：95％至99.8％；导电导热碳基材料：0.2％至5％。

在该技术方案中，由于导电导热碳基材料具有优异的导热性和优良的导电性，通过在复合铜浆料中掺杂少量的导电导热碳基材料可以有效地提高铜焊膏的导电和导热性能。另外，导电导热碳基材料还能够彻底解决相关技术中直接加入碳基材料导致的接头强度降低的问题，因此，在复合铜浆料中增加导电导热炭基材料，还可增强铜焊膏的结构强度，提高了铜焊膏的力学性能。

另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

上述技术方案中，复合铜浆料包括复合铜粉末和有机溶剂，复合铜粉末与有机溶剂的质量比为6：4至8：2。

在该技术方案中，复合铜浆料主要由复合铜粉末和有机溶剂制成，其中，复合铜粉末中包括多种粒径的铜粉末，复合铜粉末与有机溶剂的质量比可以为6：4、7：3或8：2，也可以是6：4至8：2之间的任一比例。有机溶剂与复合铜粉末混合，并搅拌均匀，以使得复合铜粉末能够制成复合铜浆料。

上述任一技术方案中，复合铜粉末包括如下质量百分比的各组分：纳米铜颗粒：3％至25％；亚微米铜颗粒：12％至45％；微米铜颗粒：30％至85％。其中，纳米铜颗粒的粒径为3nm至100nm，亚微米铜颗粒的粒径为0.1um至1um，微米铜颗粒的粒径为1um至8um。

在该技术方案中，纳米铜颗粒的粒径最小，亚微米铜颗粒的粒径不足一微米，微米铜颗粒不小于一微米。因此，在制成的复合铜浆料中，微米铜颗粒可作为骨架，而纳米铜颗粒与亚微米铜颗粒可分别作为填充物填进骨架中不同的间隙内，使得制成的复合铜浆料的致密性能够得以增强。

上述任一技术方案中，机溶剂包括如下质量百分比的各组分：分散剂：10％至30％；粘结剂：65％至85％；增稠剂：5％至15％。

在该技术方案中，分散剂的作用是使用润湿分散剂减少完成分散过程所需要的时间和能量，稳定所分散的复合铜粉末中的分散体，改性复合铜粉末中的粒子表面性质，调整复合铜粉末中的粒子的运动性。粘结剂的作用是为了提高压坯的强度或防止复合铜粉末偏析而添加到复合铜粉末中的可在烧结前或烧结过程中除掉的物质。增稠剂是一种流变助剂，不仅可以使复合铜浆料增稠，防止在使用中出现流挂现象，而且能赋予复合铜浆料优异的机械性能和贮存稳定性。通过将分散剂、粘结剂和增稠剂按照一定的质量比(分散剂：10％至30％，粘结剂：65％至85％，增稠剂：5％至15％)加入到复合铜粉末中，提高了有机溶剂对复合铜粉末的结构连接强度。

上述任一技术方案中，分散剂选自聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、十烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、硬脂酸、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺或脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种的混合物；和/或粘结剂选自异丙醇、正丁醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇丁醚和松油醇中的一种或几种的混合物；和/或增稠剂选自聚乙烯醇、环氧树脂、纤维素衍生物、酚醛树脂、松香树脂、乙基纤维素、硝化纤维素、聚异丁烯和丁醛树脂中的一种或者几种混合物。

在该技术方案中，可以将聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、硬脂酸、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺或脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种的混合物作为分散剂加入到复合铜粉末中，可以起到调整复合铜粉末颗粒的运动性。通过将异丙醇、正丁醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇丁醚和松油醇中的一种或几种的混合物加入到复合铜粉末中，可以提高复合铜浆料的强度或防止复合铜粉末偏析，可以提高复合铜浆料的结构强度和性能。通过将聚乙烯醇，环氧树脂，纤维素衍生物，酚醛树脂，松香树脂，乙基纤维素、硝化纤维素，聚异丁烯和丁醛树脂中的一种或者几种混合物加入到复合铜粉末中，不仅可以使复合铜浆料增稠，防止制成的铜焊膏在使用中出现流挂现象，而且能赋予铜焊膏优异的机械性能和贮存稳定性。

上述任一技术方案中，导电导热碳基材料选自羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、氟化碳纳米管、氮掺杂多壁碳纳米管、包镍多壁碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、巯基化石墨烯中的一种或几种混合物。

在该技术方案中，可以将羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、氟化碳纳米管、氮掺杂多壁碳纳米管、包镍多壁碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、巯基化石墨烯中的一种或几种混合物作为导电导热碳基材料加入到混合铜浆料中，以制成铜焊膏。

为实现根据本发明的实施例的第二目的，本发明的技术方案提供了一种铜焊膏制备方法，用于制备任一技术方案中的铜焊膏，铜焊膏制备方法包括：对铜粉末进行混合，制备出复合铜浆料；将导电导热碳基材料加入到铜浆料中，制备出铜焊膏，铜焊膏包括如下质量百分比的各组分：复合铜浆料：95％至99.8％；导电导热碳基材料：0.2％至5％。

在该技术方案中，可以将质量百分比为0.2％的导电导热碳基材料加入到99.8％的复合铜浆料中，机械搅拌均匀，可得到高导电、导热性的铜焊膏。或者，将质量百分比为5％的导电导热碳基材料加入到95％的复合铜浆料中，机械搅拌均匀，可得到高导电、导热性的铜焊膏。或者，将质量百分比为2.6％的导电导热碳基材料加入到97.4％的复合铜浆料中，机械搅拌均匀，可得到高导电、导热性的铜焊膏。

上述任一技术方案中，对铜粉末进行混合，制备出复合铜浆料，具体包括：对铜粉末进行混合，得到复合铜粉末；去除复合铜粉末表面的氧化物；对复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为6：4至8：2的比例混合，制备出复合铜浆料。

在该技术方案中，将多种尺寸的铜颗粒混合在一起，搅拌均匀后制得复合铜粉末。为了保证复合铜粉末的导电性和导热性，以及铜焊膏能在较低温度下实现烧结的特性，需要对复合铜粉末去除表面的氧化物。去除了表面氧化物的复合铜粉末为无氧化的复合铜粉末，然后对无氧化的复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为6：4至8：2的比例混合，制备出复合铜浆料。其中，无氧化的复合铜粉末与有机溶剂按照质量比可以为6：4、7：3或至8：2等。

上述任一技术方案中，去除复合铜粉末表面的氧化物，具体包括：将复合铜粉末放入含有2.5wt％至5wt％的有机酸的乙醇溶液中进行超声处理；对经过超声处理的所述铜粉末进行离心分离、清洗和干燥。

在该技术方案中，有机酸包括甲酸、抗坏血酸、草酸等。利用含有2.5wt％至5wt％甲酸、抗坏血酸、草酸或者其它有机酸的乙醇溶液浸泡复合铜粉末，并搅拌均匀后对其进行超声处理2分钟至30分钟。通过离心分离，离心速率为5000r/min，离心时间为1min至5min。离心完成后倒掉有机酸，再用乙醇清洗3次至4次，倒掉溶液后放入真空干燥箱干燥30min至60min，干燥温度为40℃至80℃，直至乙醇完全挥发，最后可得到无氧化的复合铜粉末，能够提高铜焊膏的导电性和导热性。

为实现根据本发明的实施例的第三目的，本发明的技术方案提供了一种芯片，包括：芯片本体；基板；焊膏层，设于芯片本体与基板之间，用于将芯片连接于基板上；其中，焊膏层由任一技术方案中的铜焊膏构成。

在该技术方案中，根据本发明的实施例提供的芯片包括根据本发明的任一技术方案中的铜焊膏，因此其具有根据本发明的任一技术方案中的铜焊膏的全部有益效果。

根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

根据本发明的实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明的一些实施例的铜焊膏制备方法的流程图之一；

图2为根据本发明的一些实施例的铜焊膏制备方法的流程图之二；

图3为根据本发明的一些实施例的铜焊膏制备方法的流程图之三；

图4为根据本发明的一些实施例的芯片的示意图；

图5为根据本发明的一些实施例的铜焊膏的应用状态示意图之一；

图6为根据本发明的一些实施例的铜焊膏的应用状态示意图之二。

其中，图1至图6中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10：芯片；100：焊膏层；200：芯片本体；300：基板；20：待烧结样品。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解根据本发明的实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对根据本发明的实施例进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解根据本发明的实施例，但是，根据本发明的实施例还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，根据本发明的实施例的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

由于利用纳米颗粒的表面效应(降低到纳米级尺寸的粉末比表面积和表面能增加)，在较低的温度(200℃至350℃)和一定的压力下实现连接的纳米金属(银和铜)低温烧结技术在下一代功率器件封装中展现出巨大的潜力。

下面参照图1至图6描述根据本发明的一些实施例的铜焊膏、铜焊膏制备方法和芯片10。

实施例1

本实施例提供了一种铜焊膏，包括如下质量百分比的各组分：复合铜浆料：95％至99.8％；导电导热碳基材料：0.2％至5％。

本实施例中，铜焊膏的组分是综合考虑复合铜浆料和导电导热炭基材料对铜焊膏综合性能指标(包括导电性、导热性、硬度等)的贡献而确定的，通过上述特定含量的各元素的联合作用，均衡了各种性能，形成了稳定的结构，从而得到了综合性能优异，且高导电性、高导热性的铜焊膏。由于导电导热碳基材料具有优异的导热性和优良的导电性，通过在复合铜浆料中掺杂少量的导电导热碳基材料可以有效地提高铜焊膏的导电和导热性能。另外，导电导热碳基材料还能够彻底解决相关技术中直接加入碳基材料导致的接头强度降低的问题，因此，在复合铜浆料中增加导电导热炭基材料，还可增强铜焊膏的结构强度，提高了铜焊膏的力学性能。

在本发明的一些实施例中，复合铜浆料的提升可以一定程度上改善铜焊膏的流动性。但复合铜浆料含量过高会降低铜焊膏的导电性能和导热性能，铜浆料含量低，会降低焊膏的连接强度。本发明实施方式中，将复合铜浆料的含量控制在95％至99.8％的范围内，在一些实施例中，复合铜浆料的质量百分比可以为95％、96％、97％、98％、99.8％。

在本实施例中，导电导热碳基材料为功能化炭基材料，导电导热碳基材料的提升可以一定程度上改善铜焊膏的导电性能和导热性能。但导电导热碳基材料含量过高会对降低铜焊膏的流动性及力学特性，不利于焊接的实施。本发明实施方式中，将电导热碳基材料的含量控制在0.2％至5％的范围内，在一些实施例中，导电导热碳基材料的质量百分比可以为0.2％、2％、3％、4％、5％。

通过在复合铜浆料中添加导电导热碳基材料，可以有效地提高铜焊膏的导电性能和导热性能，碳基材料的功能团，可以增强碳基材料与铜的亲和力，使得铜与碳基材料具有较强的表面连接性能。

实施例2

本实施例提供了一种铜焊膏。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

复合铜浆料包括复合铜粉末和有机溶剂，复合铜粉末与有机溶剂的质量比为6：4至8：2。

本实施例中，复合铜浆料主要由复合铜粉末和有机溶剂制成，其中，复合铜粉末中包括多种粒径的铜粉末，复合铜粉末与有机溶剂的质量比可以为6：4、7：3或8：2，也可以是6：4至8：2之间的任一比例。有机溶剂与复合铜粉末混合，并搅拌均匀，以使得复合铜粉末能够制成复合铜浆料。

实施例3

本实施例提供了一种铜焊膏。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

复合铜粉末包括如下质量百分比的各组分：纳米铜颗粒：3％至25％；亚微米铜颗粒：12％至45％；微米铜颗粒：30％至85％。其中，纳米铜颗粒的粒径为3nm至100nm，亚微米铜颗粒的粒径为0.1um至1um，微米铜颗粒的粒径为1um至8um。

本实施例中，其中，复合铜浆料主要由多种尺寸的铜粉末原料和溶剂制成，溶剂的作用是使得铜粉末原料能够形成浆料，其中，选择制成复合铜浆料的铜粉末的粒径不单一。通过利用多种尺寸的、颗粒状的铜粉末制成复合铜浆料，其中，复合铜浆料中尺寸较大的铜分么可以充当骨架，而尺寸较小的铜粉末可以作为填充材料，可有效提高焊膏的致密性。纳米铜颗粒的粒径最小，亚微米铜颗粒的粒径不足一微米，微米铜颗粒不小于一微米。因此，在制成的复合铜浆料中，微米铜颗粒可作为骨架，而纳米铜颗粒与亚微米铜颗粒可分别作为填充物填进骨架中不同的间隙内，使得制成的复合铜浆料的致密性能够得以增强。

本实施例中，作为骨架的微米铜颗粒的质量百分比可以为30％，亚微米铜颗粒的质量百分比可以为45％，而纳米铜颗粒的质量百分比可以为25％。由于微米铜颗粒可以作为骨架，其质量百分比如果太大，则作为填充的亚微米铜颗粒和微米铜颗粒就会减少，如此就会容易降低致密性。而作为填充的亚微米铜颗粒和纳米铜颗粒的质量百分比如果过大，则可作为骨架的微米铜颗粒将会减少，就会影响铜焊膏的强度。因此，纳米铜颗粒、亚微米铜颗粒和微米铜颗粒的质量百分比还可以分别是：3％、12％和85％；或者微米铜颗粒的质量百分比可以为60％，亚微米铜颗粒的质量百分比可以为28％，而纳米铜颗粒的质量百分比可以为12％等。

本实施例中，由于不同尺寸的铜颗粒的粒径不同，也会影响铜焊膏的致密性和结构强度，因此，纳米铜颗粒的粒径为5nm，亚微米铜颗粒的粒径为0.2um，微米铜颗粒的粒径为1um；或者纳米铜颗粒的粒径为70nm，亚微米铜颗粒的粒径为0.8um，微米铜颗粒的粒径为8um；或者纳米铜颗粒的粒径为380nm，亚微米铜颗粒的粒径为0.5um，微米铜颗粒的粒径为5um等。

实施例4

本实施例提供了一种铜焊膏。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

有机溶剂包括如下质量百分比的各组分：分散剂：10％至30％；粘结剂：65％至85％；增稠剂：5％至15％。

本实施例中，分散剂的作用是使用润湿分散剂减少完成分散过程所需要的时间和能量，稳定所分散的复合铜粉末中的分散体，改性复合铜粉末中的粒子表面性质，调整复合铜粉末中的粒子的运动性。粘结剂的作用是为了提高压坯的强度或防止复合铜粉末偏析而添加到复合铜粉末中的可在烧结前或烧结过程中除掉的物质。增稠剂是一种流变助剂，不仅可以使复合铜浆料增稠，防止在使用中出现流挂现象，而且能赋予复合铜浆料优异的机械性能和贮存稳定性。

通过将分散剂、粘结剂和增稠剂按照质量百分比分别为10％至30％，65％至85％，5％至15％的比例加入到复合铜粉末中，提高了有机溶剂对复合铜粉末的连接结构强度。在一些实施例中，分散剂的质量百分比可以为10％、20％、30％等，粘结剂的质量百分比为65％、75％、85％等，增稠剂的质量百分比为5％、10％、15％等。有机溶剂中分散剂、粘结剂和增稠剂的质量比还可以为3：6：1。

实施例5

本实施例提供了一种铜焊膏。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

分散剂选自聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、硬脂酸、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺或脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种的混合物；和/或粘结剂选自异丙醇、正丁醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇丁醚和松油醇中的一种或几种的混合物；和/或增稠剂选自聚乙烯醇、环氧树脂，纤维素衍生物，酚醛树脂，松香树脂，乙基纤维素、硝化纤维素、聚异丁烯和丁醛树脂中的一种或者几种混合物。

本实施例中，可以将聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、硬脂酸、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺或脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种的混合物作为分散剂加入到复合铜粉末中，可以起到调整复合铜粉末颗粒的运动性。通过将异丙醇、正丁醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇丁醚和松油醇中的一种或几种的混合物加入到复合铜粉末中，可以提高复合铜浆料的强度或防止复合铜粉末偏析，以提高复合铜浆料的结构强度和性能可以将聚乙烯醇、环氧树脂，纤维素衍生物，酚醛树脂，松香树脂，乙基纤维素、硝化纤维素、聚异丁烯和丁醛树脂中的一种或者几种混合物加入到复合铜粉末中，不仅可以使复合铜浆料增稠，防止制成的铜焊膏在使用中出现流挂现象，而且能赋予铜焊膏优异的机械性能和贮存稳定性。

实施例6

本实施例提供了一种铜焊膏。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

导电导热碳基材料选自羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、氟化碳纳米管、氮掺杂多壁碳纳米管、包镍多壁碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、巯基化石墨烯中的一种或几种混合物。

本实施例中，可以将羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、氟化碳纳米管、氮掺杂多壁碳纳米管、包镍多壁碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、巯基化石墨烯中的一种或几种混合物作为导电导热碳基材料加入到混合铜浆料中，以制成铜焊膏。

实施例7

如图1所示，本实施例提供了一种铜焊膏制备方法，用于制备任一实施例中的铜焊膏，铜焊膏制备方法包括如下步骤：

步骤S102：对铜粉末进行混合，制备出复合铜浆料。

步骤S104：将导电导热碳基材料加入到复合铜浆料中，制备出铜焊膏,铜焊膏包括如下质量百分比的各组分：复合铜浆料：95％至99.8％；导电导热碳基材料：0.2％至5％。

本实施例中，混合多种尺寸的铜颗粒，并搅拌均匀，然后把多种粒径的铜颗粒的混合物制备成复合铜浆料。将质量百分比为0.2％至5％的导电导热碳基材料加入到质量百分比为95％至99.8％的复合铜浆料中，制备出铜焊膏。例如，可将质量百分比为0.2％的导电导热碳基材料加入到99.8％的复合铜浆料中，机械搅拌均匀，可得到高导电、导热性的铜焊膏。或者，将质量百分比为5％的导电导热碳基材料加入到95％的复合铜浆料中，机械搅拌均匀，可得到高导电、导热性的铜焊膏。或者，将质量百分比为2.6％的导电导热碳基材料加入到97.4％的复合铜浆料中，机械搅拌均匀，可得到高导电、导热性的铜焊膏。

实施例8

如图2所示，本实施例提供了一种铜焊膏制备方法。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

对铜粉末进行混合，制备出复合铜浆料，具体包括：

步骤S202：对铜粉末进行混合，得到复合铜粉末。

步骤S204：去除复合铜铜粉末表面的氧化物。

步骤S206：将复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为6：4至8：2的比例混合，制备出复合铜浆料。

本实施例中，将多种尺寸的铜颗粒混合在一起，搅拌均匀后制得复合铜粉末。为了保证复合铜粉末的导电性和导热性，需要对复合铜粉末去除表面的氧化物。去除了表面氧化物的复合铜粉末为无氧化的复合铜粉末，然后对无氧化的复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为6：4至8：2的比例混合，制备出复合铜浆料。其中，无氧化的复合铜粉末与有机溶剂按照质量比可以为6：4、7：3或至8：2等。

实施例9

如图3所示，本实施例提供了一种铜焊膏制备方法。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

去除复合铜粉末表面的氧化物，具体包括：

步骤S302：将复合铜粉末放入含有2.5wt％至5wt％的有机酸的乙醇溶液中进行超声处理。

步骤S304：对经过超声处理的复合铜粉末进行离心分离、清洗和干燥。

本实施例中，有机酸包括甲酸、抗坏血酸、草酸等。利用含有2.5wt％至5wt％甲酸、抗坏血酸、草酸或者其它有机酸的乙醇溶液浸泡复合铜粉末，并搅拌均匀后对其进行超声处理2分钟至30分钟。通过离心分离，离心速率为5000r/min，离心时间为1min至5min。离心完成后倒掉含有有机酸的液体部分，再用乙醇清洗3次至4次，将倒掉溶液后的复合铜粉末放入真空干燥箱干燥30min至60min，干燥温度为40℃至80℃，直至乙醇完全挥发，最后可得到无氧化的复合铜粉末。

实施例10

如图4所示，本实施例提供了一种芯片10，包括：芯片本体200、基板300和焊膏层100，焊膏层100设于芯片本体200与基板300之间，用于将芯片本体200连接于基板300上。其中，焊膏层100由任一实施例中的铜焊膏构成。

本实施例中，由于根据本发明的实施例提供的芯片10包括根据本发明的任一实施例的铜焊膏，因此其具有根据本发明的任一实施例的铜焊膏的全部有益效果。

实施例11

如图5所示，本实施例提供了一种芯片10的芯片制备方法，包括如下步骤：

制备铜焊膏。

步骤S402：多种尺寸的铜颗粒进行混合。

通过改良的多元醇法制备或直接购买获得多种尺寸的铜颗粒，多种尺寸的铜颗粒混合在一起。复合铜粉末包括纳米铜颗粒、亚微米铜颗粒、微米铜颗粒三种，纳米铜颗粒、亚微米铜颗粒、微米铜颗粒的粒径分别为3nm至100nm、01um至0.9um及1um至8um。将纳米铜颗粒：亚微米铜颗粒：微米铜颗粒按照质量百分比为25％：40％：35％的比例混合均匀得到多尺寸的复合铜粉末。

步骤S404：得到复合铜粉末。

为了去除步骤S402中的复合铜粉末的表面氧化物，可对复合铜粉末通过有机酸进行清洗。首先，利用含有2.5wt％的抗坏血酸的乙醇溶液浸泡复合铜粉末，并搅拌均匀后对其进行超声处理2分钟。通过离心分离，离心速率为5000r/min，离心时间为1min。离心完成后倒掉有机酸构成的液体部分，再用乙醇清洗3次，倒掉溶液后放入真空干燥箱干燥30min，干燥温度为40℃，直至乙醇完全挥发，最后可得到无氧化的复合铜粉末。

步骤S406：得到复合铜浆料。

将步骤S404所得的无氧化的复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为6：4的比例混合，机械搅拌均匀，得到复合铜浆料。其中，有机溶剂包括分散剂、粘结剂及增稠剂，分散剂、粘结剂及增稠剂按照质量比为3：6：1的比例进行混合，制备出有机溶剂。具体地，有机溶剂由乙醇，乙二醇及环氧树脂按照3：6：1的比例混合配置而成。

步骤S408：得到铜焊膏。

通过自制或直接购买具有高导电和导热性能的导电导热碳基材料，将导电导热碳基材料加入到步骤S406中的多尺寸的铜浆料中，机械搅拌均匀，得到高导电、导热性的复合铜焊膏。复合铜焊膏中，导电导热碳基材料和铜浆料的质量百分比约为0.5％：99.5％。复合铜浆料中加入羧基化多壁碳纳米管，得到铜焊膏。其中，将羧基化多壁碳纳米管与复合铜浆料按照质量百分比为0.5％：1的比例混合均匀制成铜焊膏，本实施例利用电子称称取40mg的羧基多壁碳纳米管和8g的铜浆料混合，机械搅拌均匀获得纳米铜混合羧基多壁碳纳米管焊膏。

在有些实施例中，还可以采用纳米铜颗粒、亚微米铜颗粒、微米铜颗粒的粒径分别为3nm至100nm、0.1um至1um及1um至8um。将纳米铜颗粒：亚微米铜颗粒：微米铜颗粒按照质量百分比为25％：35％：40％的比例混合均匀得到多尺寸的复合铜粉末。然后利用含有5wt％草酸的乙醇溶液浸泡复合铜粉末，并搅拌均匀后对其进行超声处理30分钟。通过离心分离，离心速率为5000r/min，离心时间为5min。离心完成后倒掉有机酸构成的液体部分，再用乙醇清洗4次，倒掉溶液后放入真空干燥箱干燥60min，干燥温度为80℃，直至乙醇完全挥发，最后可得到无氧化的复合铜粉末。将所得的无氧化的复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为8：2的比例混合，机械搅拌均匀，得到复合铜浆料。其中，有机溶剂包括分散剂、粘结剂及增稠剂，分散剂、粘结剂及增稠剂按照质量比为3：6：1的比例进行混合，制备出有机溶剂。具体地，有机溶剂由柠檬酸钠，异丙醇及酚醛树脂按照3：6：1的比例混合配置而成。将导电导热碳基材料加入到铜浆料中，机械搅拌均匀，得到高导电、导热性的复合铜焊膏。复合铜焊膏中，导电导热碳基材料和铜浆料的质量百分比分别约为0.5％，99.5％。将氮掺杂多壁碳纳米管与复合铜浆料按照质量百分比为0.5％：1的比例混合均匀制成铜焊膏，本实施例利用电子称称取80mg的氮掺杂多壁碳纳米管和16g的铜浆料混合，机械搅拌均匀获得纳米铜氮掺杂多壁碳纳米管焊膏。按照质量百分比，复合铜焊膏中包括以下成分：铜浆料：99.503％，导电导热碳基材料：0.497％。按照体积百分比，复合铜焊膏中固体含量占85％，有机溶剂占15％。

在有些实施例中，还可以采用纳米铜颗粒、亚微米铜颗粒、微米铜颗粒的粒径分别为3nm至100nm、0.1um至1um及1um至8um。将纳米铜颗粒：亚微米铜颗粒：微米铜颗粒按照质量百分比为15％：30％：55％的比例混合均匀得到多尺寸的复合铜粉末。然后利用含有4wt％甲酸的乙醇溶液浸泡复合铜粉末，并搅拌均匀后对其进行超声处理16分钟。通过离心分离，离心速率为5000r/min，离心时间为3min。离心完成后倒掉有机酸构成的液体部分，再用乙醇清洗4次，倒掉溶液后放入真空干燥箱干燥45min，干燥温度为60℃，直至乙醇完全挥发，最后可得到无氧化的复合铜粉末。将所得的无氧化的复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为7：3的比例混合，机械搅拌均匀，得到复合铜浆料。其中，有机溶剂包括分散剂、粘结剂及增稠剂，分散剂、粘结剂及增稠剂按照质量比为3：6：1的比例进行混合，制备出有机溶剂。具体地，有机溶剂由柠檬酸钠与硬脂酸的混合物、异丙醇与二乙二醇丁醚的混合物及酚醛树脂与乙基纤维素的混合物，按照3：6：1的比例混合配置而成。将导电导热碳基材料加入到铜浆料中，机械搅拌均匀，得到高导电、导热性的复合铜焊膏。复合铜焊膏中，导电导热碳基材料和铜浆料的质量百分比为0.6％：99.4％。将氟化碳纳米管、氮掺杂多壁碳纳米管的混合物与复合铜浆料按照质量百分比为0.61％：1的比例混合均匀制成铜焊膏，本实施例利用电子称称取61mg的氨基化多壁碳纳米管和10g的铜浆料混合，机械搅拌均匀获得纳米铜氨基化多壁碳纳米管焊膏。按照质量百分比，复合铜焊膏中包括以下成分：铜浆料：99.4％，导电导热碳基材料：0.6％。按照体积百分比，复合铜焊膏中固体含量占87％，有机溶剂占13％。

本实施例通过在复合铜浆料中添加导电导热碳基材料，彻底解决了直接加入碳基材料导致的接头强度降低的问题，并增强了接头的连接强度。通过实验证明，无添加纳米铜连接接头的剪切强度达到17MPa至24MPa。在相同的烧结条件下，优于现有的纳米铜焊膏。

芯片本体200与基板300的连接。

将按上述方法制得的铜焊膏应用于芯片本体200与基板300的连接时，可通过以下步骤来完成。

步骤S410：得到待烧结样品。

准备待连接的碳化硅(SiC)芯片或硅(Si)芯片与覆铜陶瓷(DBC)基板，利用烯酸溶液清洗DBC基板表面氧化物，并用超声波清洗其表面杂质，然后干燥待用。将铜焊膏通过丝网印刷涂抹于基板300上，再把芯片本体200置于铜焊膏上，得到待烧结样品20。具体地，使用步骤S408所得的铜焊膏通过丝网印刷均匀地涂抹在步骤S302中的DBC基板上，形成焊膏层100，焊膏层100的涂膜厚度控制在60um至200um之间。然后将芯片本体200贴在焊膏层100的表面，制成待烧结样品20。其中，可选择的Si片尺寸可以为10×10×1.0mm³，DBC基板尺寸为20×20×1.2mm³。

步骤S412：得到芯片。

对待烧结样品20进行热压烧结，得到芯片10。如图6所示，放大部分为焊膏层100的结构示意图。具体地，将步骤S410中的待烧结样品20利用热压机在空气中或保护气氛中进行烧结，以获得高导电、导热及高强度的连接接头。烧结施加压强为0至10MPa，烧结温度为260℃至320℃，烧结时间为10min至40min，烧结完成后自然冷却至室温，完成键合。其中，保护气氛为全氩气或者85％氩气与15％氢气混合气体。

本实施例中的羧基化多壁碳纳米管可由南京先丰纳米材料科技有限公司提供，羧基化多壁碳纳米管的长度为10微米至30微米，羧基化多壁碳纳米管的管径小于8nm，纯度为95％。纳米铜颗粒、亚微米铜颗粒及微米铜颗粒均由南京先丰纳米材料科技有限公司提供。

本实施例通过选取一种具有高导电和导热性能的碳基材料(石墨烯、碳纳米管及石墨粉等)对其进行功能化改性，最后，将导电导热碳基材料与制备好的复合铜浆料混合均匀，用于芯片互连。本发明将导电导热碳基材料掺杂进多尺寸铜浆料中制成焊膏，提高其导电、导热性能。功能化的碳基材料与铜金属颗粒结合强度高，烧结接头力学性能得到增强。本实施例可应用于功率芯片的连接封装领域，尤其适用于第三代半导体功率器件，连接接头导电导热性能极好、致密性高，并能够在高温下工作。

本实施例相对于现有的相关技术，所提供的一种提高铜焊膏的导电、导热性能的方法，是通过往多尺寸的复合铜浆料中掺杂具有高导电和导热性能的导电导热碳基材料制成复合铜焊膏，首先，采用多尺寸的铜颗粒与有机溶剂混合均匀制成复合铜浆料，微米尺寸的铜颗粒作为骨架，亚微米与纳米尺寸的铜颗粒作为填充，多尺寸铜颗粒之间充分接触，相互镶嵌，可以有效提高铜焊膏致密性，在一定程度上有效提高了铜焊膏的电、热、力学特性。其次，将导电导热碳基材料加入复合铜浆料中，碳基材料例如石墨烯和碳纳米管，具有优异的导热特性和优良的导电特性，但碳基材料与铜颗粒连接强度微弱，将碳基材料功能化不但不影响其特性，还可以有效提高其与铜颗粒的连接。再次，分散剂包裹在纳米金属颗粒表面，防止纳米金属颗粒团聚，添加适量的粘结剂与增稠剂可以调节焊膏的粘度，使复合铜焊膏成型，有利于接头的粘结。本实施例所提供的铜焊膏相较于普通的纳米铜焊膏或者纳米银焊膏，电学性能、热学性能及力学性能都得到极大的提高。

综上，根据本发明的实施例的有益效果为：

1.通过在复合铜浆料中加入导电导热碳基材料，提高了铜焊膏的导电和导热性能，同时也增强了焊膏的力学性能。

2.多尺寸的纳米铜颗粒与有机溶剂制成复合铜浆料，微米尺寸的铜颗粒充当骨架，亚微米铜颗粒及纳米铜颗粒作为填充，有效提高了铜焊膏的致密性。

在根据本发明的实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在根据本发明的实施例中的具体含义。

根据本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述根据本发明的实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对根据本发明的实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于根据本发明的实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为根据本发明的实施例的优选实施例而已，并不用于限制根据本发明的实施例，对于本领域的技术人员来说，根据本发明的实施例可以有各种更改和变化。凡在根据本发明的实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在根据本发明的实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铜焊膏，其特征在于，包括如下质量百分比的各组分：

复合铜浆料：95％至99.8％；

导电导热碳基材料：0.2％至5％。

2.根据权利要求1所述的铜焊膏，其特征在于，所述复合铜浆料包括复合铜粉末和有机溶剂，所述复合铜粉末与所述有机溶剂的质量比为6：4至8：2。

3.根据权利要求2所述的铜焊膏，其特征在于，所述复合铜粉末包括如下质量百分比的各组分：

纳米铜颗粒：3％至25％；

亚微米铜颗粒：12％至45％；

微米铜颗粒：30％至85％；

其中，所述纳米铜颗粒的粒径为3nm至100nm，所述亚微米铜颗粒的粒径为0.1um至1um，所述微米铜颗粒的粒径为1um至8um。

4.根据权利要求2所述的铜焊膏，其特征在于，所述有机溶剂包括如下质量百分比的各组分：

分散剂：10％至30％；

粘结剂：65％至85％；

增稠剂：5％至15％。

5.根据权利要求4所述的铜焊膏，其特征在于，所述分散剂选自聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、硬脂酸、三乙基己基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种的混合物；和/或

所述粘结剂选自异丙醇、正丁醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇丁醚、松油醇中的一种或几种的混合物；和/或

所述增稠剂选自聚乙烯醇、环氧树脂、纤维素衍生物、酚醛树脂、松香树脂、乙基纤维素、硝化纤维素、聚异丁烯、丁醛树脂中的一种或者几种的混合物。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的铜焊膏，其特征在于，所述导电导热碳基材料选自羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、氟化碳纳米管、氮掺杂多壁碳纳米管、包镍多壁碳纳米管、氧化石墨烯、羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、巯基化石墨烯中的一种或几种的混合物。

7.一种铜焊膏制备方法，用于制备如权利要求1至6中任一项所述的铜焊膏，其特征在于，所述铜焊膏制备方法包括：

对铜粉末进行混合，制备出复合铜浆料；

将导电导热碳基材料加入到所述复合铜浆料中，制备出铜焊膏，所述铜焊膏包括如下质量百分比的各组分：复合铜浆料：95％至99.8％；导电导热碳基材料：0.2％至5％。

8.根据权利要求7所述的铜焊膏制备方法，其特征在于，所述对铜粉末进行混合，制备出复合铜浆料，具体包括：

对所述铜粉末进行混合，得到复合铜粉末；

去除所述复合铜粉末表面的氧化物；

将所述复合铜粉末与有机溶剂按照质量比为6：4至8：2的比例混合，制备出所述复合铜浆料。

9.根据权利要求8所述的铜焊膏制备方法，其特征在于，所述去除所述复合铜粉末表面的氧化物，具体包括：

将所述复合铜粉末放入含有2.5wt％至5wt％的有机酸的乙醇溶液中进行超声处理；

对经过所述超声处理的所述复合铜粉末进行离心分离、清洗和干燥。

10.一种芯片，其特征在于，包括：

芯片本体；

基板；

焊膏层，设于所述芯片本体与所述基板之间，用于将所述芯片本体连接于所述基板上；

其中，所述焊膏层包括如权利要求1至6中任一项所述的铜焊膏。

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