CN113223778B - 一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构及其成型方法，其中，成型方法包括以下步骤：取两片待连接介质，在两片待连接介质中填充纳米金属颗粒，在上方的待连接介质顶面设置加压板；对加压板进行高频脉冲加压处理，使纳米金属颗粒结合和使纳米金属颗粒与待连接介质结合，形成导电介质；移除加压板；清除导电介质上残余纳米金属颗粒。本申请实施例提供的成型方法采用纳米金属颗粒作为填充物替代一般的金属粉末，结合高频脉冲加压处理方式，使得纳米金属颗粒可在常温下发生冶金结合而与待连接介质烧结成导电介质，完成导电片的成型制备，具有便捷、低成本、设备要求低的特点，可制备出具备合格的结构强度、导电性能的导电结构产品。
Description
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，具体而言，涉及一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构及其成型方法。
背景技术
导电结构目前应用十分广泛，但目前导电结构的制作还比较粗糙，一般使用高温加工生产，其制备过程一般是将材料构成组装结构后放置在高温条件下进行烧结成型，该成型过程属于热烧结，存在成型过程复杂以及烧结设备复杂的问题，对设备要求高，现阶段导电结构制备缺少一种便捷的方法。
针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种的基于纳米金属冲击烧结的导电结构及其成型方法，实现常温下制备导电结构，以简化导电结构制备过程、降低设备要求、设备成本。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，用于制备导电片，包括以下步骤：
S1、取两片待连接介质，在两片待连接介质中填充纳米金属颗粒，在上方的待连接介质顶面设置加压板；
S2、对加压板进行高频脉冲加压处理，使纳米金属颗粒结合和使纳米金属颗粒与待连接介质结合，形成导电介质；
S3、移除加压板；
S4、清除导电介质上残余纳米金属颗粒。
本申请实施例的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，采用纳米金属颗粒作为填充物替代一般的金属粉末，结合高频脉冲加压处理方式，使得纳米金属颗粒可在常温下发生冶金结合而与待连接介质烧结成导电介质，完成导电片的成型制备；该成型方法无需在高温条件下进行加工生产，同时纳米金属颗粒发生冶金结合即可获得一般导电结构的导电性能，从而有效简化了现有技术的导电结构烧结过程，降低了设备要求，实现了在常温下完成导电片烧结成型，具有便捷、低成本、设备要求低的特点。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：在步骤S2中，高频脉冲加压处理为冲击处理、旋转摩擦处理、超声处理中的一种。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：当高频脉冲加压处理为超声处理时，超声处理为上开口大、下开口小的超声头装置。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：所述纳米金属颗粒的表面包覆有聚乙烯吡咯烷酮、咪唑、2-苯基咪唑或苯并咪唑中的一种或多种。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：所述加压板表面具有惰性层。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：在步骤S1中，在两片待连接介质中填充纳米金属颗粒前，对所述待连接介质进行用于增强待连接介质与纳米金属颗粒结合效果的表面处理。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：所述表面处理包括以下处理方法中的一种：表面粗化处理、表面建设铜钛合金层、表面覆盖胶类物质。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：在步骤S1中，在两片待连接介质中填充的纳米金属颗粒，为金属粉末状或由纳米金属粉末与有机溶剂配成的膏体状。
所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其中：在步骤S4中，采用有机溶液对导电介质表面进行清洗以清除残余纳米金属颗粒。
第二方面，本申请实施例还提供了一种根据上述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法制备的导电结构，包括一金属层和设于金属层上下表面且与金属层冶金结合的介质层。
该导电结构通过基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法制成，可在常温下制备，在具备导电结构的结构强度、导电性能的同时，其成型过程具有便捷、低成本、设备要求低的特点。
由上可知，本申请实施例提供的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构及其成型方法，其中，成型方法采用纳米金属颗粒作为填充物替代一般的金属粉末，结合高频脉冲加压处理方式，使得纳米金属颗粒可在常温下发生冶金结合而与待连接介质烧结成导电介质，完成导电片的成型制备，具有便捷、低成本、设备要求低的特点，可制备出具备合格的结构强度、导电性能的导电结构产品。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法的流程图。
图2为提供的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法加工时将加压板设于待连接介质上时的加工结构示意图。
图3为纳米金属颗粒烧结前的示意图。
图4为纳米金属颗粒利用本申请实施例基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法成型烧结后的示意图。
附图标记：1、待连接介质；2、纳米金属颗粒；3、加压板。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
第一方面，请参照图1和2，图1和2是本申请一些实施例中的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，用于制备导电片，包括以下步骤：
S1、取两片待连接介质1，在两片待连接介质1中填充纳米金属颗粒2，在上方的待连接介质1顶面设置加压板3；
其中，在填充纳米金属颗粒2的过程中，可先取一片待连接介质1在其上需要成型的位置处铺上合适厚度的纳米金属颗粒2，再将另一片置于纳米金属颗粒2上，使得两片待连接介质1与纳米金属颗粒2紧密接触以完成纳米金属颗粒2的填充过程；或者，可取出两片待连接介质1，并将两片待连接介质1平行设置，使得两片待连接介质1之间具有合适的距离，然后通过注入装置将纳米金属颗粒2注入填充在两片待连接介质1之间需求成型的位置以完成纳米金属颗粒2的填充过程；两种填充方式均可将两片待连接介质1调整到平行设置的状态，并使两者之间填充满均匀的纳米金属颗粒2，可确保纳米金属颗粒2分布均匀，使得后续产出的导电片结构更均匀、质量更佳。
更具体地，采用前者填充方式时，还可根据成型需求将纳米金属颗粒2填充为特定图案形状。
更具体地，采用后者填充方式时，两片待连接介质1可通过夹持工具进行位置固定以使得两片待连接介质1之间具有合适的距离，也可通过在两片待连接介质1之间设置垫片以使得两片待连接介质1之间具有合适的距离。
更具体地，待连接介质1和加压板3均呈平面片状结构，使得加压板3可平行设于位于上方的待连接介质1的顶面而与上方的待连接介质1紧密接触，利于后续加压成型，确保导电片成型质量。
更具体地，加压板3可直接放置在待连接介质1顶面，也可通过紧固件暂时固定在待连接介质1顶面以防止两者相对位移。
更具体地，纳米金属颗粒2可设置在两片待连接介质1的不同位置上，优选地设置在两片待连接介质1的型心位置处。
S2、对加压板3进行高频脉冲加压处理，使纳米金属颗粒2结合和使纳米金属颗粒2与待连接介质1结合，形成导电介质；
其中，位于下方的待连接介质1底面设有承载工具，一般为工作台、承载器皿、加压板3等，在本实施例中，优选为设置加压板3，使得上方的待连接介质1的顶面和下方的待连接介质1底面均设有加压板3，确保两片待连接介质1上下面具有相同硬度的加压板3，利于导电结构的成型。
具体地，利用高频脉冲加压处理，通过加压板3高频地对待连接介质1施加压力，使得待连接介质1对纳米金属颗粒2加压，纳米金属颗粒2在加压作用下相互冲击继而发生冶金结合，实现冲击烧结，同时纳米金属颗粒2还与待连接介质1冶金结合，使得两片待连接介质1和位于两片待连接介质1之间的纳米金属颗粒2成型为一整片的导电介质。
具体地，对加压板3进行的高频脉冲加压处理的位置与纳米金属颗粒2填充位置对应，即加压板3进行的高频脉冲加压处理的位置的下方位置的两片待连接介质1之间具有纳米金属颗粒2，从而使得高频脉冲加压处理的效果更佳，提高纳米金属颗粒2的冶金结合程度，提高产品成型质量。
更具体地，对加压板3进行高频脉冲加压处理时，可持续对纳米金属颗粒2整体分布的型心位置进行连续加压，也可沿着一定路径位移加压，直至走遍整个纳米金属颗粒2覆盖的位置。
更具体地，采用沿一定路径位移加压的方式时，加压位移轨迹可为以纳米金属颗粒2覆盖位置的中心位置为起点向外螺旋扩散的路径，也可为以纳米金属颗粒2覆盖位置的一边角位置为起点进行连续S型走线的路径，从而可确保高频脉冲加压处理的位置能完全覆盖纳米金属颗粒2填充的位置，保证置于两片待连接介质1之间的纳米金属颗粒2能充分发送冶金结合。
更具体地，采用沿一定路径位移加压的方式时，还可采用一定复合形式路径进行加压，以进一步保证置于两片待连接介质1之间的纳米金属颗粒2能充分发送冶金结合。
S3、移除加压板3；
其中，移除加压板3后，余下的为通过两片待连接介质1和纳米金属颗粒2结合而成的导电介质，由于纳米金属颗粒2是填充在两片待连接介质1之间进行成型的，因此，纳米金属颗粒2形成的层面结构外表面处一般情况下会产生凸出部分或未与两片待连接介质1完全解除的边缘部分，这些部分在加压板3对待连接介质1进行加压时并未受到待连接介质1施加的压力，因此不会产生冶金结合，而成为不属于导电介质的残余纳米金属颗粒。
S4、清除导电介质上残余纳米金属颗粒。
清除未产生冶金结合的残余纳米金属颗粒，使得产出的导电介质更整洁，利于后续投入使用。
本申请实施例的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，采用纳米金属颗粒2作为填充物替代一般的金属粉末，结合高频脉冲加压处理方式，使得纳米金属颗粒2可在常温下发生冶金结合而与待连接介质1烧结成导电介质，完成导电片的成型制备；该成型方法无需在高温条件下进行加工生产，同时纳米金属颗粒2发生冶金结合即可获得一般导电结构的导电性能，从而有效简化了现有技术的导电结构烧结过程，降低了设备要求，实现了在常温下完成导电片烧结成型，具有便捷、低成本、设备要求低的特点。
在一些优选的实施方式中，待连接介质1为导电橡胶，使得成型后的导电介质为导电橡胶-金属-导电橡胶的组合体，整体均具备导电性能。
在一些优选的实施方式中，在步骤S2中，高频脉冲加压处理为冲击处理、旋转摩擦处理、超声处理中的一种。
其中，冲击处理为选用微型冲击锤对加压板3进行持续的高频冲击处理；旋转摩擦处理为采用微型压杆对加压板3加压并使微型杆在加压板3进行摩擦旋刮，或采用球状旋转头对加压板3加压并使球状旋转头在加压板3上旋转摩擦；超声处理为采用高频超声荷载振动加压；具体地，采用冲击处理或超声处理时可按照前述的特定轨迹进行加压处理，而采用旋转摩擦处理时，微型杆或球状旋转头可进行边旋转配合转动轴线边位移的方式执行前述特定轨迹进行加压处理，此时，转动轴线沿特定轨迹的路径进行位移。
在一些优选的实施方式中，当高频脉冲加压处理为超声处理时，超声处理为上开口大、下开口小的超声头装置，超声头设置为上开口大、下开口小的结构，使得上开口处的振动比较弱，而下开口处的振动比较强烈，而超声波处于超声头共振频率，可以在超声头断面产生强烈振动，可使纳米金属发生冶金结合，使得填充于待连接介质1之间的纳米金属颗粒2能有效进行冶金结合。
在一些优选的实施方式中，纳米金属颗粒2的表面包覆有聚乙烯吡咯烷酮、咪唑、2-苯基咪唑或苯并咪唑中的一种或多种，这 些物质与金属具有较强的配位能力，可有效提高纳米金属颗粒2的结合能力，利于纳米金属颗粒2进行冶金结合。
在一些优选的实施方式中，加压板3表面具有惰性层，设置惰性层可降低加压板3与待连接介质1之间的结合能力，有利于加压板3在步骤S3中进行拆除，从而避免加压处理后加压板3与导电介质连接在一起。
在一些优选的实施方式中，惰性层为石墨层，石墨层具有足够的耐磨性、润滑性，可有效降低加压板3与待连接介质1的结合力，从而防止加压板3结合在导电介质上。
在一些优选的实施方式中，在步骤S1中，在两片待连接介质1中填充纳米金属颗粒2前，对待连接介质1进行用于增强待连接介质1与纳米金属颗粒2结合效果的表面处理；其中，待连接介质1仅在需要与纳米金属颗粒2结合的端面进行表面处理，即为表面处理的对象为两片待连接介质1的相邻面；进行表面处理后的待连接介质1与纳米金属颗粒2接触更紧密，可在高频脉冲加压处理时更好地与纳米金属颗粒2进行结合，从而提高产出的导电介质的致密性、结合性，可有效提高导电介质的成型质量。
在一些优选的实施方式中，表面处理包括以下处理方法中的一种：表面粗化处理、表面建设铜钛合金层、表面覆盖胶类物质。
具体地，表面粗化处理指的是增大待连接介质1表面的粗糙程度，从而可增强待连接介质1与纳米金属的结合力，具体实施时，可通过划线、腐蚀、磨蚀等方式进行粗化；表面处理采用表面建设铜钛合金层时，在两片待连接介质1的相邻面上表面建设铜钛合金层，从而可增强待连接介质1与纳米金属的结合力；表面处理采用表面覆盖胶类物质时，在两片待连接介质1的相邻面上表面覆盖胶类物质，从而可增强待连接介质1与纳米金属的结合力。
在一些优选的实施方式中，在步骤S1中，在两片待连接介质1中填充的纳米金属颗粒2，为金属粉末状或由纳米金属粉末与有机溶剂配成的膏体状；其中，金属粉末状有利于金属颗粒相互挤压实现冶金结合，膏体状则有利于纳米金属颗粒2填充时黏着固定在两片待连接介质1之间，具体选用类型可根据待制备的导电介质的种类、尺寸、形态进行选择。
在一些优选的实时方式中，纳米金属颗粒2中每一个颗粒的粒径相同，或者纳米金属颗粒2由不同粒径的纳米尺寸的金属颗粒混合而成，或者纳米金属颗粒2由纳米尺寸的颗粒与微米尺寸的颗粒混合而成。
在一些优选的实施方式中，在步骤S4中，采用有机溶液对导电介质表面进行清洗以清除残余纳米金属颗粒2，可有效清除残余纳米金属颗粒；另外，若采用有机溶液清洗还未完全清除残余纳米金属颗粒，还可在清洗时进行适当加热，以强化有机溶液的清洗效果。
本申请实施例的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，采用纳米金属颗粒2作为填充物替代一般的金属粉末，结合高频脉冲加压处理方式，使得纳米金属颗粒2可在常温下发生冶金结合而与待连接介质1烧结成导电介质，完成导电片的成型制备，具有便捷、低成本、设备要求低的特点。
第二方面，本申请实施例还提供了一种根据上述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法制备的导电结构，包括一金属层和设于金属层上下表面且与金属层冶金结合的介质层。
该导电结构通过基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法制成，可在常温下制备，在具备导电结构的结构强度、导电性能的同时，其成型过程具有便捷、低成本、设备要求低的特点。
实施例1
取两块导电橡胶和两块玻璃板，在导电橡胶表面涂一层银钛合金，在玻璃板的表面建设一层石墨，将两块导电橡胶涂上下设置，且使两者具有银钛合金层的端面相对设置，将含有粒径尺寸为50μm的纳米银颗粒的膏体填充于上下两块导电橡胶之间，将两块玻璃板分别置于设于上方的导电橡胶的顶面和下方的导电橡胶的底面，且设有石墨层的一面与导电橡胶接触，使用微型冲击锤对玻璃板的上表面进行敲击，施加200N/mm²的冲击载荷，使得膏体内的纳米银颗粒产生冶金结合和使得纳米银颗粒通过银钛合金层与导电橡胶冶金结合，从而完成金属烧结处理使玻璃板下方的材料结合成导电片。烧结处理后，分离玻璃板，用乙醇在加超声的条件下对导电片进行清洗，去除残余颗粒，获取所需的导电结构成品。
在将纳米银颗粒膏体置于涂有银钛合金的导电胶体上时，纳米银颗粒膏体如图3所示，呈深色粉末状；在获得所需导电结构后，拆除一导电介质以观察金属烧结情况，可获得图4所示的导电结构，显然地，银纳米颗粒冲击烧结后，为银白色块体，呈现出金属银的颜色，并具有一定的机械强度，证实银纳米颗粒发生了烧结，即实现了常温下的金属烧结加工。
目常用导电胶的电阻率为10-5～10-6Ω·m量级，纳米金属热烧结后的电阻率为l0-6~l0-7Ω·m量级。
经测试，采用上述方法制备的导电结构，其中包含的银纳米颗粒冲击烧结后的金属层的电阻率为l0-5~l0-7Ω·cm量级，可以满足一般的导电互连需求。
实施例2
取两块导电橡胶和两块玻璃板，在导电橡胶表面进行粗化处理，在玻璃板的表面建设一层石墨，将两块导电橡胶涂上下设置，且使两者具有粗化处理的端面相对设置，将粒径尺寸为50μm的纳米铜颗粒粉末填充于上下两块导电橡胶之间，将两块玻璃板分别置于设于上方的导电橡胶的顶面和下方的导电橡胶的底面，且设有石墨层的一面与导电橡胶接触，使用上开口大、下开口小的超声头对准上玻璃板上表面施加80kHz/mm²的超声载荷，使得粉末中的纳米铜颗粒产生冶金结合和使得纳米铜颗粒与粗化的导电橡胶表面发生冶金结合，从而完成金属烧结处理使玻璃板下方的材料结合成导电片。烧结处理后，分离玻璃板，用乙醇在加超声的条件下对介质进行清洗，去除残余颗粒，获取所需的导电结构成品。
由上可知，本申请实施例提供的一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构及其成型方法，其中，成型方法采用纳米金属颗粒2作为填充物替代一般的金属粉末，结合高频脉冲加压处理方式，使得纳米金属颗粒2可在常温下发生冶金结合而与待连接介质1烧结成导电介质，完成导电片的成型制备，具有便捷、低成本、设备要求低的特点，可制备出具备合格的结构强度、导电性能的导电结构产品。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露结构和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的结构实施例仅仅是示意性的。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，用于制备导电片，其特征在于：包括以下步骤：
S1、取两片待连接介质，在两片待连接介质中填充纳米金属颗粒，所述纳米金属颗粒的表面包覆有聚乙烯吡咯烷酮、咪唑、2-苯基咪唑或苯并咪唑中的一种或多种，在上方的待连接介质顶面设置加压板；
S2、对加压板进行高频脉冲加压处理，使纳米金属颗粒结合和使纳米金属颗粒与待连接介质结合，形成导电介质；
S3、移除加压板；
S4、清除导电介质上残余纳米金属颗粒。
2.根据权利要求1所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其特征在于：在步骤S2中，高频脉冲加压处理为冲击处理、旋转摩擦处理、超声处理中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其特征在于：当高频脉冲加压处理为超声处理时，超声处理为上开口大、下开口小的超声头装置。
4.根据权利要求1所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其特征在于：所述加压板表面具有惰性层。
5.根据权利要求1所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其特征在于：在步骤S1中，在两片待连接介质中填充纳米金属颗粒前，对所述待连接介质进行用于增强待连接介质与纳米金属颗粒结合效果的表面处理。
6.根据权利要求5所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其特征在于：所述表面处理包括以下处理方法中的一种：表面粗化处理、表面建设铜钛合金层、表面覆盖胶类物质。
7.根据权利要求1所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其特征在于：在步骤S1中，在两片待连接介质中填充的纳米金属颗粒，为金属粉末状或由纳米金属粉末与有机溶剂配成的膏体状。
8.根据权利要求1所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法，其特征在于：在步骤S4中，采用有机溶液对导电介质表面进行清洗以清除残余纳米金属颗粒。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的基于纳米金属冲击烧结的导电结构的成型方法制备的导电结构，其特征在于：包括一金属层和设于金属层上下表面且与金属层冶金结合的介质层。
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