CN114535863B - 一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法，包括纳米铜颗粒层和助烧剂层，纳米铜颗粒表面包覆有柠檬酸层，助烧剂层包括络合剂和还原剂，络合剂包括海藻酸钠、邻羟基苯甲酸、丙烯酸树脂中的至少一种，还原剂包含联氨、水合肼、乙二胺中的至少一种。本发明无需额外的气氛以及加热，仅依靠自身化学反应的放热，无需昂贵的特定设备，无需还原性气氛，即可实现烧结，避免了高温烧结，同时也保证了高温服役，烧结性能好。

Description

一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法。
背景技术
在过去的几年中，对电子产品日益增长的需求已经在电子领域引起了一场巨大的革命。宽带隙半导体器件(WBG)作为第三代半导体，同样运算速度下，能耗可比Si基芯片降低18-20倍，且能够在大电压、高温下正常工作，同时具备更加优异的开关性能。但更高的服役温度使得现有高温无铅焊料难以满足半导体工业的需求。
导电金属纳米粒子因其独特的物理和化学性质，具有远低于块体材料的熔点、比表面积大的特点，可实现低温烧结高温服役。但即使在纳米尺度，Cu或Ag相对较高的熔化温度也使其难以像传统焊料那样通过液相扩散实现互连结构。因此，降低键合温度是芯片互连技术在半导体器件中广泛应用的重要前提。而纳米银虽然具有高的电导率和热导率，但其电迁移、化学迁移严重，影响器件的可靠性，限制了其发展。铜价格低廉含量丰富，且具有较高的导电性，被认为是昂贵纳米银颗粒的潜在替代品。然而，由于铜纳米颗粒极易氧化，目前的研究中均存在如烧结温度过高、烧结时间过长、烧结压力过大、烧结体性能较差以及还原性的烧结环境等不足。这些缺陷很大程度上限制了铜纳米颗粒在电子封装领域内的应用。
发明内容
本发明意在提供一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法，以制备无需额外的气氛以及加热，仅依靠自身反应的放热，即可实现烧结的纳米铜焊膏。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种自烧结的纳米铜焊膏，包括纳米铜颗粒层和助烧剂层，纳米铜颗粒表面包覆有柠檬酸层，助烧剂层包括络合剂和还原剂，络合剂包括海藻酸钠、邻羟基苯甲酸、丙烯酸树脂中的至少一种，还原剂包含联氨、水合肼、乙二胺中的至少一种。
其中，还包括表面活性剂，表面活性剂包含OP-10、EP-10中的至少一种。
其中，纳米铜颗粒的质量份数为70～90份，助烧剂的质量份数为10～30份。
其中，助烧剂层的数量为两层，且分别位于纳米铜颗粒层两侧。形成助烧剂/铜膏/助烧剂的三明治结构，有助于铜膏充分烧结。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是提供一种自烧结的纳米铜焊膏的制备方法，包括：
铜膏的制备：将氯化铜溶解到90℃±5℃的水中，保持温度，然后向溶液中加入柠檬酸和次亚磷酸钠，反应10～20min后离心清洗沉淀物，得到柠檬酸包裹的纳米铜颗粒，再将纳米铜颗粒与乙醇按体积比90:10～80:10混合得到铜膏；
助烧剂的制备：将络合剂、还原剂、表面活性剂均匀混合，其中，络合剂:还原剂:表面活性剂的体积比为1～2:30～50:0.5～2。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是提供一种自烧结的纳米铜焊膏的使用方法，包括以下步骤：
S1：将至少包括络合剂和还原剂的助烧剂印刷到基板和芯片背面上并干燥；
S2：将由包裹有柠檬酸层的纳米铜颗粒与乙醇混合所得的铜膏印刷到基板的助烧层上，控制铜膏与助烧剂总量的质量比为7:3～8.5:1.5之间，然后干燥铜膏层；
S3：将芯片覆盖，辅助压力1～10MPa，加压时间4～5s。
其中，印刷方法为丝网印刷。
本发明的工作原理及有益效果在于：当助烧剂与纳米铜颗粒(CuNPs)接触时，可诱导柠檬酸的解吸附，导致CuNPs的表面氧化。而助烧剂可还原CuNPs表面氧化层，形成高活性的CuNPs，还原时还能产生大量的热量，还原剂采用的是强还原剂，可使CuNPs表面氧化的颗粒立即还原。高活性的CuNPs表面能的降低，并且还原反应的产热进促进CuNPs的烧结。烧结过程结束后柠檬酸与助烧剂中的络合剂形成络合物重新吸附在CuNPs的表面，提高烧结处的抗氧化性。
本发明：
1、无需额外的气氛以及加热，仅依靠自身化学反应的放热，即可实现烧结，避免了高温烧结，同时也保证了高温服役，烧结性能好。
2、无需昂贵的特定设备，如微波加热，闪光烧结，脉冲电流烧结等设备，无需还原性气氛。
3、纳米铜颗粒层和助烧剂层之间的化学反应时间短，而且其层状结构的时间进一步利于缩短化学反应时间，使得烧结时间可在5s～5min完成(压力越大，时间越短)，相比于传统焊膏20min以上的烧结时间，能够节省50～99％以上的时间。
4、无需采用过大的烧结压力，烧结压力一般在0～10MPa。
5、铜纳米颗粒表面一般还要一层封端剂(柠檬酸、PVP等)，助烧剂与封端剂酯化，保护接头不被氧化。
附图说明
图1为本发明实施例1中自烧结的纳米铜焊膏的使用方法示意图；
图2为采用本发明实施例1至3中焊膏烧结的接头的剪切强度测试图。
说明书附图中的标记包括：芯片1、助烧剂层2、纳米铜颗粒层3、基板4。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1
本实施例中的一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法：
称取50mmol的氯化铜溶解在盛有20ml水的烧瓶中，对烧瓶进行油浴加热，让溶液温度保持在90℃，向烧瓶中加入0.96mg柠檬酸和0.76mg的次亚磷酸钠，反应15min后离心清洗，即可得到柠檬酸包裹的CuNPs。将CuNPs与乙醇按体积比90：10混合得到铜膏。将2％海藻酸钠、1％的OP-10和35％联氨的水溶液均匀，得到助烧剂。在基板4上和芯片1背面采用丝网印刷的方式印刷助烧剂并干燥，之后在基板4的助烧剂上印刷一层铜膏并干燥，芯片1、助烧剂层2、纳米铜颗粒层3、基板4四者的位置示意图如附图1所示，控制铜膏与总助烧剂质量比8：3，将芯片1覆盖，辅助压力10MPa，加压时间5s。将其进行剪切强度测试，测试结果如附图2所示，满足《GB/T 4937.19-2018》(半导体器件机械和气候试验方法第19部分：芯片1剪切强度)标准。
实施例2
本实施例中的一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法：
称取50mmol的氯化铜溶解在盛有20ml水的烧瓶中，对烧瓶进行油浴加热，让溶液温度保持在90℃，向烧瓶中加入0.96mg柠檬酸和0.76mg的次亚磷酸钠，反应15min后离心清洗，即可得到柠檬酸包裹的CuNPs。将CuNPs与乙醇按体积比85：15混合得到铜膏。将1％邻羟基苯甲酸、1％的OP-10和30％水合肼的水溶液均匀，得到助烧剂。在基板4上和芯片1背面采用丝网印刷的方式印刷助烧剂并干燥，之后在基板4的助烧剂上印刷一层铜膏并干燥，芯片1、助烧剂层2、纳米铜颗粒层3、基板4四者的位置示意图如附图1所示，控制铜膏与总助烧剂质量比8：3，将芯片1覆盖，辅助压力1MPa，加压时间5min。将其进行剪切强度测试，测试结果如附图2所示，满足《GB/T 4937.19-2018》(半导体器件机械和气候试验方法第19部分：芯片1剪切强度)标准。
实施例3
本实施例中的一种自烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法：
称取50mmol的氯化铜溶解在盛有20ml水的烧瓶中，对烧瓶进行油浴加热，让溶液温度保持在90℃，向烧瓶中加入0.96mg柠檬酸和0.76mg的次亚磷酸钠，反应15min后离心清洗，即可得到柠檬酸包裹的CuNPs。将CuNPs与乙醇按体积比85：15混合得到铜膏。将3％丙烯酸树脂、1％的EP-10和50％乙二胺的水溶液均匀，得到助烧剂。在基板4上和芯片1背面采用丝网印刷的方式印刷助烧剂并干燥，之后在基板4的助烧剂上印刷一层铜膏并干燥，芯片1、助烧剂层2、纳米铜颗粒层3、基板4四者的位置示意图如附图1所示，控制铜膏与总助烧剂质量比8：3，将芯片1覆盖，辅助压力1MPa，加压时间5min。将其进行剪切强度测试，测试结果如附图2所示，满足《GB/T 4937.19-2018》(半导体器件机械和气候试验方法第19部分：芯片1剪切强度)标准。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知常识或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (2)

1.一种自烧结的纳米铜焊膏使用方法，其特征在于：纳米铜焊膏包括铜膏层和助烧剂层，铜膏层包括纳米铜颗粒，纳米铜颗粒表面包覆有柠檬酸层，助烧剂层包括络合剂、还原剂和表面活性剂，络合剂包括海藻酸钠、邻羟基苯甲酸、丙烯酸树脂中的至少一种，还原剂包含联氨、水合肼、乙二胺中的至少一种；表面活性剂包含OP-10、EP-10中的至少一种；助烧剂层的数量为两层，且分别位于纳米铜颗粒层两侧；
铜膏的制备时，将氯化铜溶解到90℃±5℃的水中，保持温度，然后向溶液中加入柠檬酸和次亚磷酸钠，反应10～20min后离心清洗沉淀物，得到柠檬酸包裹的纳米铜颗粒，再将纳米铜颗粒与乙醇按体积比90:10～80:20混合得到铜膏；
助烧剂的制备时，将络合剂、还原剂、表面活性剂均匀混合，其中，络合剂:还原剂:表面活性剂的体积比为1～2:30～50:0.5～2；
使用时包括以下步骤：
S1：将助烧剂印刷到基板和芯片背面上并干燥；
S2：将由包裹有柠檬酸层的纳米铜颗粒与乙醇混合所得的铜膏印刷到基板的助烧剂层上，控制铜膏与助烧剂总量的质量比为7:3～8.5:1.5之间，然后干燥铜膏层；
S3：将芯片覆盖，辅助压力1～10MPa，加压时间4～5s。
2.根据权利要求1所述的一种自烧结的纳米铜焊膏使用方法，其特征在于：印刷方法为丝网印刷。
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