CN113798730A - 一种微纳米银铜合金焊料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳米银铜合金焊料及其制备方法，所述焊料包括如下组分：20～60wt.%纳米银铜固溶体粉末，30～72wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，1～5wt.%分散剂，1～5wt.%粘结剂，1～5wt.%稀释剂，1～5wt.%助焊剂。本发明可实现纳米颗粒和微米颗粒的均匀混合，有效提高焊点强度，降低孔隙率，具备良好的抗氧化性和抗电迁移特性，并获得均匀的组织、高的钎料合金强度。
Description
技术领域
本发明属于电子封装微互连技术领域，涉及一种可用于烧结互连的微纳米银铜合金焊膏及其制备方法。
背景技术
电子封装微互连技术是电子封装微互连技术是各种电子元器件、模块、组件封装的核心技术之一。随着电子行业对电子元器件、模块、组件的高功率和高密度封装需求和指标的不断攀升，电子元器件、片、模块、组件的服役温度也随之不断提高，这将对微互连材料提出更为苛刻的要求，然而传统的钎料合金和树脂类粘接材料等已经不能胜任高功率、发热量大电子器件及组件的高温工作环境。目前的电子封装互连材料中，纳米金属颗粒的熔点和烧结温度均比常规块体或粉末材料低很多，因此，利用纳米金属来实现低温连接、高温服役，成为纳米金属材料应用研究的新领域，其中，纳米Ag、Cu焊膏受到普遍关注，成为纳米互连材料的研究热点。
但上述纳米颗粒增强焊料存在下面的问题：此类焊料是由纳米Ag、纳米Cu或微米Cu等单一金属颗粒加入焊剂等形成焊膏，通过印刷、滴涂放置到焊接部位，在焊接过程中纳米Cu和微米铜颗粒极易氧化，形成氧化亚铜，导致焊点生成熔点较高的共晶体，存在于铜的晶粒边界上，使塑性降低，并往往使接头的强度、导电性、耐腐蚀性低于母材，而纳米银烧结接头抗电迁移能力低，容易短路或断路，降低产品可靠性，微米焊膏中微米颗粒间形成烧结颈，接头孔隙率高，焊接密度低，且接头强度不足，不能有效地提高接头抗蠕变性能。
发明内容
本发明提供了一种用于高温封装及多次重熔连接的微纳米银铜合金焊料及其制备方法，旨在解决现有微、纳米颗粒焊料存在的上述问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种微纳米银铜合金焊料，包括如下组分：20～60wt.%纳米银铜固溶体粉末，30～72wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，1～5wt.%分散剂，1～5wt.%粘结剂，1～5wt.%稀释剂，1～5wt.%助焊剂。
作为本发明的进一步改进，所述组分为20～24wt.%纳米银铜固溶体粉末，
60～72wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，1～5wt.%分散剂，1～5wt.%粘结剂，1～5wt.%稀释剂，1～5wt.%助焊剂。
作为本发明的进一步改进，所述组分为30～60wt.%纳米银铜固溶体粉末，30～60wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，2～3wt.%分散剂，2～3wt.%粘结剂，2～3wt.%稀释剂，2～3wt.%助焊剂。
作为本发明的进一步改进，所述微纳米银铜合金粉末为微米铜银核壳颗粒与纳米银铜固溶体颗粒的质量比为3:1均匀混合。
作为本发明的进一步改进，所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯，稀释剂为乙二醇或酒精，助焊剂为柠檬酸或丁二酸。
本发明还公开了上述微纳米银铜合金焊料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：利用银盐与铜盐的混合溶液在强还原剂作用下制备纳米银铜固溶体颗粒，银铜原子比为3:1，将反应后溶液重复进行高速离心、超声清洗，室温下真空干燥、研磨后留存待用。
步骤二：对微米Cu粉进行镀前处理，分别用有机溶剂去除Cu粉表面的油污，用稀盐酸去除表面氧化膜；
步骤三：将微米Cu颗粒超声分散在(CH2OH)2溶剂中，同时配置AgNO3的(CH2OH)2溶液，浓度范围为0.05~0.15mol/L，铜银原子比为6~10:1，并加热到相同温度50~70℃；
步骤四：将AgNO3醇溶液逐渐加至微米Cu颗粒悬浮液中，保持反应温度和机械搅拌反应；
步骤五：反应完成后，将溶液重复进行高速离心、超声清洗，最后室温下真空干燥、研磨。
步骤六：按照3:1的质量比分别称取一定的微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体粉末，与分散剂甲基戊醇或聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇或聚异丁烯、稀释剂乙二醇或酒精以及助焊剂柠檬酸或丁二酸等混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏。
本发明还公开了上述微纳米银铜合金焊料的另一种制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对微米Cu粉进行镀前处理，分别用有机溶剂去除Cu粉表面的油污，用稀盐酸去除表面氧化膜；
步骤二：将微米Cu颗粒超声分散在(CH2OH)2溶剂中，同时配置AgNO3的(CH2OH)2溶液，浓度范围为0.05~0.15mol/L，铜银原子比为6~10:1，并加热到相同温度50~70℃；
步骤三：将AgNO3醇溶液逐渐加至微米Cu颗粒悬浮液中，保持反应温度和机械搅拌反应一段时间；
步骤四：反应完成后，将溶液重复进行高速离心、超声清洗，室温下真空干燥、研磨。
步骤五：利用银盐与铜盐的混合溶液在强还原剂作用下制备纳米银铜固溶体颗粒，银铜原子比为3:1，待反应完毕后，使用步骤四所得的微米铜银核壳颗粒粉末，溶入其中，重复进行磁力搅拌、高速离心、超声清洗，最终在室温下真空干燥，得到微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体的混合粉末；
步骤六：将步骤五得到的混合粉末与分散剂甲基戊醇或聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇或聚异丁烯、稀释剂乙二醇或酒精以及助焊剂柠檬酸或丁二酸等混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明中的微纳米银铜合金焊料与现有的焊料中加入单一的纳米银或纳米铜颗粒、与微米铜或微米银焊料相比，铜原子位于银晶格中，同时具备抗氧化性和抗电迁移特性。
2、由于微米铜表面包覆一层银膜，与空气隔绝，可有效解决微米铜氧化的问题，纳米颗粒可在微米颗粒间形成的缝隙进行填充，由此降低孔隙率。
3、本发明可实现微纳米颗粒在钎料合金中的均匀分布，保证微、纳米金属、焊料与合金基体的有效反应，获得均匀的组织、高的强度。
4、本发明适用于高温封装、立体封装及系统封装的多次重熔结构及连接工艺中。
附图说明
图1为微纳米银铜合金焊料结构示意图；
图2为微纳米银铜焊料制备方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
本实施例提供了一种微纳米银铜合金焊料制备方法，包括如下组分：20wt.%纳米银铜固溶体粉末，72wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，1wt.%分散剂，1wt.%粘结剂，1wt.%稀释剂，5wt.%助焊剂。
如图2所示，具体实施步骤如下：
步骤一：利用银盐与铜盐的混合溶液在强还原剂作用下制备纳米银铜固溶体颗粒，银铜原子比为3:1，将反应后溶液重复进行离心并超声清洗，最后室温下真空干燥，研磨得到样品，留存待用。
步骤二：对微米Cu粉进行镀前处理，分别用有机溶剂去除Cu粉表面的油污，用稀盐酸去除表面氧化膜；
步骤三：将微米Cu颗粒超声分散在(CH2OH)2溶剂中，同时配置AgNO3的(CH2OH)2溶液，浓度范围为0.05~0.15mol/L，铜银原子比为6~10:1，并加热到相同温度50~70℃；
步骤四：将AgNO3醇溶液用注射器逐滴滴加至微米Cu颗粒悬浮液中，保持反应温度和机械搅拌反应一段时间；
步骤五：反应完成后，将溶液重复进行高速离心、超声清洗，最后室温下真空干燥，研磨得到样品。
步骤六：按照3:1的质量比分别称取一定的微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体粉末，与分散剂甲基戊醇或聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇或聚异丁烯、稀释剂乙二醇或酒精以及助焊剂柠檬酸或丁二酸等混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏。
使用方法一：
（1）用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；
（2）加热焊接；
（3）形成接头，接头为内嵌微米铜的银铜合金。
使用方法二：
（1）用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；
（2）加热焊接并保温一段时间；
（3）形成接头，接头为内嵌微米铜的银铜合金。
实施例2：
本实施例提供了另一种微纳米银铜合金焊料制备方法，包括如下组分：60wt.%纳米银铜固溶体粉末，30wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，2wt.%分散剂，2wt.%粘结剂，2wt.%稀释剂，4wt.%助焊剂。
具体实施步骤如下：
步骤一：利用银盐与铜盐的混合溶液在强还原剂作用下制备纳米银铜固溶体颗粒，银铜原子比为3:1，将反应后溶液重复进行离心并超声清洗，最后室温下真空干燥，研磨得到样品，留存待用。
步骤二：对微米Cu粉进行镀前处理，分别用有机溶剂去除Cu粉表面的油污，用稀盐酸去除表面氧化膜；
步骤三：将微米Cu颗粒超声分散在(CH2OH)2溶剂中，同时配置AgNO3的(CH2OH)2溶液，浓度范围为0.05~0.15mol/L，铜银原子比为6~10:1，并加热到相同温度50~70℃；
步骤四：将AgNO3醇溶液用注射器逐滴滴加至微米Cu颗粒悬浮液中，保持反应温度和机械搅拌反应一段时间；
步骤五：反应完成后，将溶液重复进行高速离心、超声清洗，最后室温下真空干燥，研磨得到样品。
步骤六：按照3:1的质量比分别称取一定的微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体粉末，与分散剂甲基戊醇或聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇或聚异丁烯、稀释剂乙二醇或酒精以及助焊剂柠檬酸或丁二酸等混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏。
使用方法一：
（1）用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；
（2）加热焊接；
（3）形成接头，接头为内嵌微米铜的银铜合金。
使用方法二：
（1）用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；
（2）加热焊接并保温一段时间；
（3）形成接头，接头为内嵌微米铜的银铜合金。
实施例3：
本实施例提供了另一种微纳米银铜合金焊料制备方法，包括如下组分：24wt.%纳米银铜固溶体粉末，66wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，2wt.%分散剂，2wt.%粘结剂，2wt.%稀释剂，4wt.%助焊剂。
实施步骤与使用方法同上。
实施例4：
本实施例提供了另一种微纳米银铜合金焊料制备方法，包括如下组分：
30wt.%纳米银铜固溶体粉末，60wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，2wt.%分散剂，3wt.%粘结剂，2wt.%稀释剂，3wt.%助焊剂。
实施步骤与使用方法同上。
实施例5：
本实施例提供了另一种微纳米银铜合金焊料制备方法，包括如下组分：
30wt.%纳米银铜固溶体粉末，60wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，3wt.%分散剂，2wt.%粘结剂，2wt.%稀释剂，3wt.%助焊剂，所述微纳米银铜合金粉末为微米铜银核壳颗粒与纳米银铜固溶体颗粒的质量比为3:1均匀混合。
实施步骤与使用方法同上。
实施例6：
本实施例提供了另一种微纳米银铜合金焊料制备方法，包括如下组分：
30wt.%纳米银铜固溶体粉末，60wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，3wt.%分散剂，2wt.%粘结剂，2wt.%稀释剂，3wt.%助焊剂，所述微纳米银铜合金粉末为微米铜银核壳颗粒与纳米银铜固溶体颗粒的质量比为3:1均匀混合。所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯，稀释剂为乙二醇或酒精，助焊剂为柠檬酸或丁二酸。
实施步骤与使用方法同上。
实施例7：
本实施例提供了一种微纳米银铜合金焊料制备方法，
包括如下组分：30wt.%纳米银铜固溶体粉末，60wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，
3wt.%分散剂，2wt.%粘结剂，2wt.%稀释剂，3wt.%助焊剂，所述微纳米银铜合金粉末为微米铜银核壳颗粒与纳米银铜固溶体颗粒的质量比为3:1均匀混合。所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯，稀释剂为乙二醇或酒精，助焊剂为柠檬酸或丁二酸。
步骤一：对微米Cu粉进行镀前处理，分别用有机溶剂去除Cu粉表面的油污，用稀盐酸去除表面氧化膜；
步骤二：将微米Cu颗粒超声分散在(CH2OH)2溶剂中，同时配置AgNO3的(CH2OH)2溶液，浓度范围为0.05~0.15mol/L，铜银原子比为6~10:1，并加热到相同温度50~70℃；
步骤三：将AgNO3醇溶液用注射器逐滴滴加至微米Cu颗粒悬浮液中，保持反应温度和机械搅拌反应一段时间；
步骤四：反应完成后，将溶液重复进行高速离心、超声清洗，室温下真空干燥，研磨得到样品，留存待用。
步骤五：利用银盐与铜盐的混合溶液在强还原剂作用下制备纳米银铜固溶体颗粒，银铜原子比为3:1，待反应完毕后，称取步骤四所得一定质量的微米铜银核壳颗粒粉末，溶入其中，重复进行磁力搅拌、高速离心、超声清洗，最终在室温下真空干燥，得到微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体的混合粉末；
步骤六：将步骤五得到的混合粉末与分散剂甲基戊醇或聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇或聚异丁烯、稀释剂乙二醇或酒精以及助焊剂柠檬酸或丁二酸等混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏。
使用方法一：
（1）用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；
（2）加热焊接；
（3）形成接头，接头为内嵌微米铜的银铜合金。
实施例8：
本实施例与实施例1不同的是：通过液相还原制得银铜原子比为10~4:1的纳米银铜固溶体粉末，再与微米铜银核壳颗粒、分散剂、粘接剂、助焊剂混合，制得微纳米银铜合金焊膏。
使用方法：
（1）用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；
（2）加热焊接并保温一段时间；
（3）形成接头，接头为内嵌微米铜的银铜合金。
实施例9：
本实施例与实施例1不同的是：微米铜银核壳颗粒与纳米银铜固溶体粉末混合质量比例为2~0.5:1。
使用方法：
（1）用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；
（2）加热焊接并保温一段时间；
（3）形成接头，接头为内嵌微米铜的银铜合金。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微纳米银铜合金焊料，其特征在于所述焊料包括如下组分：20～60wt.%纳米银铜固溶体粉末，30～72wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，1～5wt.%分散剂，1～5wt.%粘结剂，1～5wt.%稀释剂，1～5wt.%助焊剂。
2.根据权利要求1所述的微纳米银铜合金焊料，其特征在于:所述组分为20～24wt.%纳米银铜固溶体粉末，60～72wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，1～5wt.%分散剂，1～5wt.%粘结剂，1～5wt.%稀释剂，1～5wt.%助焊剂。
3.根据权利要求1所述的微纳米银铜合金焊料，其特征在于:所述组分为30～60wt.%纳米银铜固溶体粉末，30～60wt.%微米铜银核壳颗粒粉末，2～3wt.%分散剂，2～3wt.%粘结剂，2～3wt.%稀释剂，2～3wt.%助焊剂。
4.根据权利要求1-3任一项所述的微纳米银铜合金焊料，其特征在于所述微纳米银铜合金粉末为微米铜银核壳颗粒与纳米银铜固溶体颗粒的质量比为3:1均匀混合。
5.根据权利要求1-3任一项所述的微纳米银铜合金焊料，其特征在于所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯，稀释剂为乙二醇或酒精，助焊剂为柠檬酸或丁二酸。
6.一种权利要求1-5任一项所述的微纳米银铜合金焊料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：利用银盐与铜盐的混合溶液在强还原剂作用下制备纳米银铜固溶体颗粒，银铜原子比为3:1，将反应后溶液重复进行高速离心、超声清洗，室温下真空干燥、研磨后留存待用；步骤二：对微米Cu粉进行镀前处理，分别用有机溶剂去除Cu粉表面的油污，用稀盐酸去除表面氧化膜；
步骤三：将微米Cu颗粒超声分散在(CH2OH)2溶剂中形成微米Cu颗粒悬浮液，同时配置AgNO3的(CH2OH)2溶液，浓度范围为0.05~0.15mol/L，铜银原子比为6~10:1，并加热到相同温度50~70℃；
步骤四：将AgNO3醇溶液逐渐加至微米Cu颗粒悬浮液中，保持反应温度和机械搅拌反应；
步骤五：反应完成后，将溶液重复进行高速离心、超声清洗，最后室温下真空干燥、研磨；
步骤六：按照3:1的质量比分别称取一定的微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体粉末，与分散剂甲基戊醇或聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇或聚异丁烯、稀释剂乙二醇或酒精以及助焊剂柠檬酸或丁二酸等混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏。
7.一种权利要求1-5任一项所述微纳米银铜合金焊料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：对微米Cu粉进行镀前处理，分别用有机溶剂去除Cu粉表面的油污，用稀盐酸去除表面氧化膜；
步骤二：将微米Cu颗粒超声分散在(CH2OH)2溶剂中，同时配置AgNO3的(CH2OH)2溶液，浓度范围为0.05~0.15mol/L，铜银原子比为6~10:1，并加热到相同温度50~70℃；
步骤三：将AgNO3醇溶液逐渐加至微米Cu颗粒悬浮液中，保持反应温度和机械搅拌反应一段时间；
步骤四：反应完成后，将溶液重复进行高速离心、超声清洗，室温下真空干燥、研磨；
步骤五：利用银盐与铜盐的混合溶液在强还原剂作用下制备纳米银铜固溶体颗粒，银铜原子比为3:1，待反应完毕后，使用步骤四所得的微米铜银核壳颗粒粉末，溶入其中，重复进行磁力搅拌、高速离心、超声清洗，最终在室温下真空干燥，得到微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体的混合粉末；
步骤六：将步骤五得到的混合粉末与分散剂甲基戊醇或聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇或聚异丁烯、稀释剂乙二醇或酒精以及助焊剂柠檬酸或丁二酸等混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏。
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