CN112351598A - 一种铜颗粒焊膏及其制备方法以及烧结方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种铜颗粒焊膏及其制备方法以及烧结方法，该铜颗粒焊膏包括具有良好分散性的铜颗粒、分散剂以及溶剂，还包括还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份。通过在铜颗粒焊膏中加入还原剂，本申请不仅能够去除铜颗粒表面的氧化层，还能够避免铜颗粒焊膏在保存以及使用过程中再次被氧化；且由于加入的还原剂及其氧化产物均易热分解，不会阻碍烧结过程，从而使铜颗粒焊膏能够在低温下进行烧结，且烧结时无需还原性气体保护，不仅降低了生产成本，还提升了铜颗粒焊膏的应用范围。

Description

一种铜颗粒焊膏及其制备方法以及烧结方法

技术领域

本申请涉及电子制造技术领域，特别是涉及一种铜颗粒焊膏及其制备方法以及烧结方法。

背景技术

微电子技术的革新引领了目前电子科技的发展，伴随着电子技术的快速更新换代，微电子封装技术受到的重视日益增加。目前，第三代固态功率半导体器件的出现有望在减少输电损耗的同时，极大地提高电能的利用率，并且在同样的面积内能调控更大电力，有助于器件的小型化发展。但是，高集成度所带来的发热问题制约了第三代半导体的应用。由于热膨胀系数的不匹配，基板与芯片之间的连接层在器件工作时，不断承受着热应力循环，而传统的锡(Sn)基焊料由于熔点较低，在此种循环应力下经常发生热裂、剥离等失效情况。

随着纳米技术的不断发展，纳米金属焊膏是近年来新兴的一类封装材料，能够实现“低温烧结，高温服役”的封装需求。具体地，纳米金属材料的小尺寸效应可促进金属颗粒表面原子的扩散，使其能够在较低的温度下进行焊接，而焊接后形成的块体中颗粒的尺度效应消失，重熔温度恢复到块体金属的熔点，从而保证了纳米金属焊膏的高温可靠性，使其能够满足目前快速发展的电子工业需要。

铜单质具有优良的热导率和电导率，且价格便宜，易制备为微纳米铜颗粒，是理想的低温烧结填料。然而，现有技术中的铜颗粒焊膏在较低的焊接温度下(<300℃)难以获得可靠的烧结结构，主要是由于铜的化学性质活泼，在空气中极易氧化，且生产的氧化铜层不易热分解，不仅阻碍了铜原子的扩散，还会增加烧结温度，加大了铜颗粒低温烧结的难度。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种铜颗粒焊膏及其制备方法以及烧结方法，通过在铜颗粒焊膏中加入还原剂，避免铜颗粒焊膏在存放以及使用过程中被氧化。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是提供一种铜颗粒焊膏，该焊膏包括具有良好分散性的铜颗粒、分散剂以及溶剂，还包括还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份。

其中，还原剂包括抗坏血酸、甲酸铜、甲酸、乙酸以及丙酮肟中的至少一种。

其中，铜颗粒的粒径为100～300nm，铜颗粒为球型。

其中，分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮K30、聚乙烯吡咯烷酮K90以及聚乙二醇1000中的任一种。

其中，溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚乙二醇200、2-氨基-2-甲基-丙醇以及1-氨基-2-丙醇中的至少一种。

为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是提供一种铜颗粒焊膏的制备方法，该制备方法包括：对铜颗粒进行分散处理，获得具有良好分散性的铜颗粒；按预设重量份准备以下原料：具有良好分散性的铜颗粒、分散剂、溶剂以及还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份；将还原剂、分散剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏。

其中，对铜颗粒进行分散处理，获得具有良好分散性的铜颗粒的步骤具体包括：按预设重量份准备以下原料：铜颗粒、无水乙醇，以及分散剂；将铜颗粒以及分散剂按原料配比加入按原料配比的无水乙醇中，获得混合液体；将混合液体超声分散至少30分钟，获得分散液；对分散液进行真空干燥，获得具有良好分散性的铜颗粒。

其中，对分散液进行真空干燥，获得具有良好分散性的铜颗粒的步骤还包括：控制真空度不大于0.1MPa，以及控制干燥温度不大于60℃。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是提供一种铜颗粒焊膏的烧结方法，该烧结方法包括：按预设重量份准备以下原料：具有良好分散性的铜颗粒、分散剂、溶剂以及还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份；将还原剂、分散剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏；预通纯氮气，在氮气气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，以获得致密连续的烧结层。

其中，预通纯氮气，在氮气气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，以获得致密连续的烧结层的步骤还包括：控制升温速率为1～20℃/min，控制烧结温度为250～300℃，以及控制烧结时间为30min。

本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供一种铜颗粒焊膏及其制备方法以及烧结方法，通过在铜膏中添加一定量的还原剂，不仅能够去除铜颗粒表面的氧化层，还能够避免铜颗粒焊膏在保存以及使用过程中再次被氧化；且由于加入的还原剂及其氧化产物均易热分解，不会阻碍烧结过程，从而使铜颗粒焊膏能够在低温下进行烧结，且烧结时无需还原性气体保护，不仅降低了生产成本，还提升了铜颗粒焊膏的应用范围。通过上述方式，本申请解决了工艺复杂、制备成本高的问题，使生产出的铜颗粒焊膏满足“低温烧结，高温服役”的应用需求，能够替代纳米银烧结焊膏或烧结型纳米银浆适用于电子封装和微连接领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请铜颗粒焊膏的制备方法一实施方式的流程示意图；

图2是图1中步骤S11一实施方式的细化流程图；

图3是本申请铜颗粒焊膏的烧结方法一实施方式的流程示意图；

图4a与图4b是本申请实施例1中铜颗粒在不同阶段的SEM图；

图5a与图5b是本申请实施例1与对比例1中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图的对比示意图；

图6a与图6b是本申请实施例3与实施例4中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，本文中使用的术语“包括”、“包含”或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

随着电子器件逐渐向小型化、高密度、高集成方向发展，第三代宽带隙半导体材料因可以在500℃高温下具有稳定的性能而被广泛应用于高功率电子器件中，故找出合适的耐高温且稳定性高的封装互连材料，是推动功率器件发展的重要因素之一。传统锡铅焊膏可以耐受高温，但由于铅会污染环境，且会对人体健康造成严重危害，不符合节能环保和绿色制造的发展趋势，现已极少被使用在电子设备中。普通的无铅焊料虽然可以满足耐高温需求，但是均含有各自的缺点，例如，银、金基焊料成本较高、锡基焊料易被腐蚀、铋基焊料脆性较大等。

随着纳米技术的不断发展，纳米金属焊膏是近年来新兴的一类封装材料，能够实现“低温烧结，高温服役”的封装需求。具体地，纳米金属材料的小尺寸效应可促进金属颗粒表面原子的扩散，使其能够在较低的温度下进行焊接，而焊接后形成的块体中颗粒的尺度效应消失，重熔温度恢复到块体金属的熔点，从而保证了纳米金属焊膏的高温可靠性，使其能够满足目前快速发展的电子工业需要。

铜单质具有优良的热导率和电导率，且价格便宜，易制备为微纳米铜颗粒，是理想的低温烧结填料。目前生产出来的铜颗粒焊膏，由于铜颗粒的本征氧化性，其在制备以及存放的过程中均会发生不同程度的氧化，而铜颗粒表面形成的氧化物不仅会导致铜颗粒焊膏烧结不完全，还会显著增加互连温度，降低烧结性能与连接强度；且为了避免铜颗粒焊膏在烧结过程中进一步氧化，还需要添加还原性气体进行保护，在高温高压下进行烧结，这些辅助手段不仅使制造工艺复杂化，还大幅提升了制备成本，不利于进行工业化生产。

现有的防止铜颗粒焊膏氧化的方法，例如，使用有机酸腐蚀铜颗粒表面，有一定几率将铜表面的氧化层去除，经处理后的铜颗粒作为填料具有较好的烧结性能，但由于被腐蚀后的铜颗粒表面不稳定，仍然容易被重新氧化，故这种方式会极大地降低铜颗粒焊膏的保存时间以及限制其使用范围。

基于上述情况，本申请提供一种铜颗粒焊膏及其制备方法以及烧结方法，通过在铜颗粒焊膏中加入还原剂，避免铜颗粒焊膏在存放以及使用过程中被氧化。

本申请所提供的铜颗粒焊膏包括具有良好分散性的铜颗粒、分散剂以及溶剂，还包括还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份。

本申请通过在铜颗粒焊膏中加入还原剂，不仅能够去除铜颗粒表面的氧化层，还能够避免铜颗粒焊膏在保存以及使用过程中再次被氧化；且由于加入的还原剂及其氧化产物均易热分解，不会阻碍烧结过程，从而使铜颗粒焊膏能够在低温下进行烧结，且烧结时无需还原性气体保护，不仅降低了生产成本，还提升了铜颗粒焊膏的应用范围，从而使生产出的铜颗粒焊膏满足“低温烧结，高温服役”的应用需求，能够替代纳米银烧结焊膏或烧结型纳米银浆适用于电子封装和微连接领域。

下面结合附图和实施方式对本申请进行详细说明。

本申请所提供的铜颗粒焊膏包括具有良好分散性的铜颗粒、分散剂以及溶剂，还包括包括还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份。

本实施方式中，铜颗粒焊膏包括以下按重量份计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，75～90份；分散剂，1～5份；溶剂，10～15份；还原剂，0.5～5份。

其中，以上各组份的总份数为100份。

本实施方式中，还原剂包括抗坏血酸、甲酸铜、甲酸、乙酸以及丙酮肟中的至少一种。

具体地，本申请所使用的还原剂均为低毒试剂，且无论是还原剂本身还是其氧化产物均易热分解。

此处以抗坏血酸为例，抗坏血酸又称维生素C，是一种含有6个碳原子的酸性多羟基化合物，具有很强的还原性，容易被氧化成脱氢抗坏血酸，且抗坏血酸和其氧化产物在超过80℃的温度环境下就可分解。

本实施方式中，铜颗粒的粒径为100～300nm，铜颗粒为球型。

本实施方式中，分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮K30、聚乙烯吡咯烷酮K90以及聚乙二醇1000中的任一种。

本实施方式中，溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚乙二醇200、2-氨基-2-甲基-丙醇以及1-氨基-2-丙醇中的至少一种。

区别于现有技术，本实施方式中的铜颗粒焊膏中包括一定量的还原剂，不仅能够去除铜颗粒表面的氧化层，还能够避免铜颗粒焊膏在保存以及使用过程中再次被氧化，具有相当于普通无铅焊料的耐存性，在开封后进行冷藏，能够在一定时间内(例如，24小时)保证其烧结性能。

对应地，本申请提供了一种铜颗粒焊膏的制备方法。

请参阅图1，图1是本申请铜颗粒焊膏的制备方法一实施方式的流程示意图。如图1所示，在本实施方式中，该方法包括：

S11：对铜颗粒进行分散处理，获得具有良好分散性的铜颗粒。

本实施方式中，铜颗粒的粒径为100～300nm，铜颗粒为球型。

由于尺寸效应，当金属颗粒的尺寸降低到纳米级别时，其熔点随尺寸的减小而降低，这使得金属纳米颗粒能够实现“低温连接，高温服役”。

具体地，纳米铜颗粒由于具有小尺寸效应，能够促进铜金属颗粒表面原子的扩散，使其能够在较低的温度下进行焊接，但由于金属纳米铜颗粒具有极高的活性，以及纳米微粒间各种吸附力的存在，纳米颗粒间极易形成团聚体，因此，需要对铜颗粒进行分散处理，获得具有良好分散性的铜颗粒，以达到更加突出的物理性质。

S12：按预设重量份准备以下原料：具有良好分散性的铜颗粒、分散剂、溶剂以及还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份。

本实施方式中，准备以下按重量份计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，75～90份；分散剂，1～5份；溶剂，10～15份；还原剂，0.5～5份。

其中，以上各组份的总份数为100份。

本实施方式中，还原剂包括抗坏血酸、甲酸铜、甲酸、乙酸以及丙酮肟中的至少一种。

本实施方式中，分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮K30、聚乙烯吡咯烷酮K90以及聚乙二醇1000中的任一种。

本实施方式中，溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚乙二醇200、2-氨基-2-甲基-丙醇以及1-氨基-2-丙醇中的至少一种。

本实施方式中，还原剂与溶剂可根据不同基板地金和芯片背金的材料(例如，金、银、镍等)进行选择。

S13：将还原剂、分散剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体。

本实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙二醇1000时，将还原剂、分散剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体。

在其他实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K30时，将还原剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体，本申请对此不作限定。

S14：将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏。

本实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙二醇1000时，将含有聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙二醇1000的成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏。

在其他实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K30时，将成膏体与分散剂加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏。

本实施方式中，使用混合设备对铜颗粒以及成膏体进行搅拌，以获得铜颗粒焊膏。

其中，混合设备包括行星式混料机。

其中，混合速度为2000rpm。

具体地，行星式混料机是指在碾盘内通过悬挂轮、行星铲及侧刮板三者之间的相对逆流运动，使物料得到均匀混合的设备。该设备能耗小，密封性好，使用方便。其工作原理是由电动机通过皮带轮、减速箱、行星齿轮箱带动悬挂轮、行星铲及侧刮板在碾盘内作顺时针方向公转，侧刮板将混合料推向悬挂轮和行星铲下面，行星铲同时又作逆时针自转，这样连续翻转搅拌，使物料在碾盘内得到充分的搅拌和捏合，达到混合与混练的目的。

进一步地，所获得铜颗粒焊膏可用于涂布、芯片搭载以及烧结，且通过对粘度进行控制，能够获得不同厚度的连接层，例如，控制焊膏的粘度偏低，从而使连接层的厚度偏低，以符合不同的连接要求。

区别于现有技术，本实施方式中，在铜颗粒焊膏中加入还原剂，不仅能够去除铜颗粒表面的氧化层，还能够避免铜颗粒焊膏在保存以及使用过程中再次被氧化；进一步地，由于制备过程简单，且加入的还原剂均为低毒试剂，还能够实现节约成本稳定生产的目的。

进一步请参阅图2，图2是图1中步骤S11一实施方式的细化流程图。如图2所示，在本实施方式中，该方法包括：

S21：按预设重量份准备以下原料：铜颗粒、无水乙醇，以及分散剂。

本实施方式中，准备以下按重量份计的原料：铜颗粒，1份；无水乙醇，50份；分散剂，0.5份。

其中，分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮K30、聚乙烯吡咯烷酮K90以及聚乙二醇1000中的任一种。

S22：将铜颗粒以及分散剂按原料配比加入按原料配比的无水乙醇中，获得混合液体。

本实施方式中，将1份铜颗粒加入到50份无水乙醇中，同时加入0.5份分散剂，获得混合液体。

S23：将混合液体超声分散至少30分钟，获得分散液。

本实施方式中，将混合液体置于超声场中，用适当的频率和功率的超声波对纳米颗粒悬浮液进行处理。

具体地，超声波分散作用的机理与空化作用有关，空化作用可以在铜颗粒局部产生高温高压，并且伴随巨大的冲击力的微射流，从而对铜颗粒产生微粉碎作用，使团聚体破碎，从而获得分散性更单一的铜颗粒。

S24：对分散液进行真空干燥，获得具有良好分散性的铜颗粒。

本实施方式中，控制真空度不大于0.1MPa，以及控制干燥温度不大于60℃。

通过上述方式，本申请能够获得更均一、单分散性更好的铜颗粒，从而实现更加突出的物理性质，例如，通过小尺寸效应，进一步促进铜金属颗粒表面原子的扩散，使其能够在较低的温度下进行焊接，满足“低温烧结”的封装需求。

请参阅图3，图3是本申请铜颗粒焊膏的烧结方法一实施方式的流程示意图。如图3所示，在本实施方式中，该方法包括：

S31：按预设重量份准备以下原料：具有良好分散性的铜颗粒、分散剂、溶剂以及还原剂，其中，还原剂的重量份为0.5～5份。

本实施方式中，准备以下按重量份计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，75～90份；分散剂，1～5份；溶剂，10～15份；还原剂，0.5～5份。

其中，以上各组份的总份数为100份。

本实施方式中，还原剂包括抗坏血酸、甲酸铜、甲酸、乙酸以及丙酮肟中的至少一种。

本实施方式中，分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮K30、聚乙烯吡咯烷酮K90以及聚乙二醇1000中的任一种。

本实施方式中，溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚乙二醇200、2-氨基-2-甲基-丙醇以及1-氨基-2-丙醇中的至少一种。

S32：将还原剂、分散剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体。

本实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙二醇1000时，将还原剂、分散剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体。

在其他实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K30时，将还原剂以及溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体，本申请对此不作限定。

S33：将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏。

本实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙二醇1000时，将含有聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙二醇1000的成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏。

在其他实施方式中，当分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K30时，将成膏体与分散剂加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏。

S34：预通纯氮气，在氮气气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，以获得致密连续的烧结层。

本实施方式中，控制升温速率为1～20℃/min，控制烧结温度为250～300℃，以及控制烧结时间为30min。

其中，在300℃下对铜颗粒焊膏进行烧结，获得的烧结强度约为20MPa～35MPa，与传统锡铅焊膏的烧结强度相当。

具体地，回流焊(Reflow)是指通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。回流焊是靠气体在焊机内循环流动产生高温，从而对焊点产生作用，使胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到表面贴装器件(Surface Mounted Devices，SMD)的焊接。

区别于现有技术，本实施方式中，由于铜颗粒焊膏中包括还原剂，故不仅能够去除铜颗粒表面的氧化层，还能够避免铜颗粒焊膏在保存以及使用过程中再次被氧化，故在烧结过程中无需添加氢气或甲酸等还原性气体进行保护；且由于铜颗粒表面未生成阻碍烧结过程的氧化层，故无需在高温高压下进行烧结，通过降低对烧结环境的要求，从而提升铜颗粒焊膏的应用范围；进一步地，本申请中的铜颗粒焊膏进行烧结后获得的烧结强度与传统锡铅焊膏相当，满足“低温烧结，高温服役”的封装需求，能够替代纳米银烧结焊膏或烧结型纳米银浆适用于电子封装和微连接领域。

为便于对本申请实施例进行理解，本申请提供了以下非限制性实施例，对本申请作进一步的详细说明。

实施例1

准备以下按重量计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，85份，其中，铜颗粒粒径为300nm；聚乙烯吡咯烷酮K90，0.5份；乙二醇，14份；抗坏血酸，0.5份；将抗坏血酸、聚乙烯吡咯烷酮K90以及乙二醇按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏；将铜颗粒焊膏用于铜背金硅晶片及铜基板的芯片粘接，预通纯氮气，在氮气气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，加低压0.4MPa，控制温度为300℃，获取连接强度(剪切应力)为25MPa的连接接头。

用扫描电镜(SEM)观察实施例1中的铜颗粒在未与成膏体混合前的微观形貌特征，以及观察铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的微观形貌特征。

具体地，请参阅图4a与图4b，图4a与图4b是本申请实施例1中铜颗粒在不同阶段的SEM图；其中，图4a是本申请实施例1中铜颗粒在未与成膏体混合前的SEM图，图4b是本申请实施例1中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图。

由图4a与图4b可看出，纳米铜颗粒的小尺寸效应可以促进铜金属颗粒表面原子的扩散，使其能够在较低的温度下进行焊接，满足“低温烧结”的需求；加入了还原剂后，在较低温度下对铜颗粒焊膏进行烧结，烧结后形成的连接接头结构致密，颗粒的尺度效应消失，重熔温度恢复到块体金属的熔点，保证了铜颗粒焊膏的高温可靠性，满足“高温服役”的封装需求。

对比例1

准备以下按重量计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，85份，其中，铜颗粒粒径为300nm；聚乙烯吡咯烷酮K90，1份；乙二醇，14份；将聚乙烯吡咯烷酮K90以及乙二醇按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏；将铜颗粒焊膏用于铜背金硅晶片及铜基板的芯片粘接，预通纯氮气，在氮气气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，加低压0.4MPa，控制温度为300℃，获取连接强度(剪切应力)为8MPa的连接接头。

用扫描电镜(SEM)观察对比例1中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的微观形貌特征。

具体地，请参阅图5a与图5b，图5a与图5b是本申请实施例1与对比例1中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图的对比示意图；其中，图5a是本申请实施例1中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图，图5b是本申请对比例1中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图。

由图5a与图5b可看出，不包含还原剂的铜颗粒焊膏进行烧结后无法形成致密的结构，且烧结后获得的连接接头的强度仅为8MPa，远低于实施例1；由于对比例1烧结后的铜颗粒之间具有缝隙，颗粒感较强且颗粒的尺度效应并未消失，故无法恢复到块体金属的熔点，不能保证铜颗粒焊膏的高温可靠性，也就无法满足“高温服役”的封装需求。

实施例2

准备以下按重量计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，80份，其中，铜颗粒粒径为100nm；聚乙二醇1000，1份；三乙醇胺，14份；甲酸，5份；将甲酸、聚乙二醇1000以及三乙醇胺按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏；将铜颗粒焊膏用于铜板之间的粘接，预通纯氮气，在氮气气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，加低压1MPa，控制温度为300℃，获取连接强度(剪切应力)为20MPa的连接接头。

用扫描电镜(SEM)观察实施例2中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的微观形貌特征，所获得的SEM图与实施例1中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图相似，表明加入甲酸作为还原剂后，铜颗粒焊膏的抗氧化性能与加入抗坏血酸时的氧化性能一致。

实施例3

准备以下按重量计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，82份，其中，铜颗粒粒径为300nm；聚乙二醇1000，1份；三乙二醇，15份；抗坏血酸，2份；将抗坏血酸、聚乙二醇1000以及三乙二醇按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏；将铜颗粒焊膏用于碳化硅(SiC)芯片及陶瓷覆铜板(Direct Bonding Copper，DBC)之间的连接，预通纯氮气，在氮气气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，加低压0.7MPa，控制温度为300℃，获取连接强度(剪切应力)为34MPa的连接接头。

实施例4

准备以下按重量计的原料：具有良好分散性的铜颗粒，82份，其中，铜颗粒粒径为300nm；聚乙二醇1000，1份；三乙二醇，15份；抗坏血酸，2份；将抗坏血酸、聚乙二醇1000以及三乙二醇按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；将成膏体加入按原料配比的具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得铜颗粒焊膏；将铜颗粒焊膏用于碳化硅(SiC)芯片及陶瓷覆铜板(Direct Bonding Copper，DBC)之间的连接，在甲酸气氛下对铜颗粒焊膏进行回流焊，加低压0.7MPa，控制温度为300℃，获取连接强度(剪切应力)为30MPa的连接接头。

针对实施例3与实施例4，用扫描电镜(SEM)分别观察实施例3与实施例4中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的微观形貌特征。

具体地，请参阅图6a与图6b，图6a与图6b是本申请实施例3与实施例4中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图的对比示意图；其中，图6a是本申请实施例3中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图，图6b是本申请实施例4中铜颗粒焊膏烧结后所获得的连接接头的SEM图。

由图6a与图6b可看出，实施例3与实施例4中的铜颗粒焊膏烧结后所形成的连接接头均具有致密的结构，表明在铜颗粒焊膏中加入还原剂后，焊膏在烧结时无需还原性气体保护也能形成强度相当的连接结构。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种铜颗粒焊膏，包括具有良好分散性的铜颗粒、分散剂以及溶剂，其特征在于，所述铜颗粒焊膏还包括还原剂，其中，所述还原剂的重量份为0.5～5份。

2.根据权利要求1所述的铜颗粒焊膏，其特征在于，所述还原剂包括抗坏血酸、甲酸铜、甲酸、乙酸以及丙酮肟中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的铜颗粒焊膏，其特征在于，所述铜颗粒的粒径为100～300nm，所述铜颗粒为球型。

4.根据权利要求1所述的铜颗粒焊膏，其特征在于，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮K30、聚乙烯吡咯烷酮K90以及聚乙二醇1000中的任一种。

5.根据权利要求1所述的铜颗粒焊膏，其特征在于，所述溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚乙二醇200、2-氨基-2-甲基-丙醇以及1-氨基-2-丙醇中的至少一种。

6.一种铜颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对铜颗粒进行分散处理，获得具有良好分散性的铜颗粒；

按预设重量份准备以下原料：所述具有良好分散性的铜颗粒、分散剂、溶剂以及还原剂，其中，所述还原剂的重量份为0.5～5份；

将所述还原剂、所述分散剂以及所述溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；

将所述成膏体加入所述按原料配比的所述具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得所述铜颗粒焊膏。

7.根据权利要求6所述的铜颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，所述对铜颗粒进行分散处理，获得具有良好分散性的铜颗粒的步骤具体包括：

按预设重量份准备以下原料：所述铜颗粒、无水乙醇，以及所述分散剂；

将所述铜颗粒以及所述分散剂按原料配比加入按原料配比的所述无水乙醇中，获得混合液体；

将所述混合液体超声分散至少30分钟，获得分散液；

对所述分散液进行真空干燥，获得所述具有良好分散性的铜颗粒。

8.根据权利要求7所述的铜颗粒焊膏的制备方法，其特征在于，所述对所述分散液进行真空干燥，获得所述具有良好分散性的铜颗粒的步骤还包括：

控制真空度不大于0.1MPa，以及控制干燥温度不大于60℃。

9.一种铜颗粒焊膏的烧结方法，其特征在于，包括：

按预设重量份准备以下原料：具有良好分散性的铜颗粒、分散剂、溶剂以及还原剂，其中，所述还原剂的重量份为0.5～5份；

将所述还原剂、所述分散剂以及所述溶剂按原料配比混合并搅拌均匀，获得成膏体；

将所述成膏体加入所述按原料配比的所述具有良好分散性的铜颗粒中并搅拌均匀，获得所述铜颗粒焊膏；

预通纯氮气，在氮气气氛下对所述铜颗粒焊膏进行回流焊，以获得致密连续的烧结层。

10.根据权利要求9所述的铜颗粒焊膏的烧结方法，其特征在于，所述预通纯氮气，在氮气气氛下对所述铜颗粒焊膏进行回流焊，以获得致密连续的烧结层的步骤还包括：

控制升温速率为1～20℃/min，控制烧结温度为250～300℃，以及控制烧结时间为30min。

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