CN116013890A - 一种半导体封装用低温烧结铜浆料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体封装用低温烧结铜浆料及其制备方法。本发明属于半导体封装互连领域。本发明的目的是为了解决现有铜基浆料烧结温度高和易氧化的技术问题。本发明的铜浆料由铜粉、MOD油墨、还原剂和有机溶剂制备而成。所述MOD油墨由铜源和胺制备而成。本发明利用MOD油墨与还原剂的共同作用，并通过调节浆料组分的最佳配比，使所得浆料可在低温下烧结互连，获得的互连接头具有优异的烧结强度、高导热性能和高可靠性。

Description

一种半导体封装用低温烧结铜浆料及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体封装互连领域，具体涉及一种半导体封装用低温烧结铜浆料及其制备方法。

背景技术

随着第三代宽带隙半导体(WBG)如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的应用与发展，对与之相配的连接材料也提出了更严苛的要求，如更好的热、电、力学性能，以保证芯片能够在高温(200℃或更高温度)下正常服役。传统的软钎焊由于熔点较低，因此不适用于高温环境下服役的大功率电子器件的封装互连，同时Pb-、Au-、Bi-、Zn-基等高温钎料由于对环境有污染、成本较高等缺点限制了其应用前景。而导电银胶和固液扩散连接分别存在导电/导热性能差、扩散时间长等问题，所以需要开发新的互连技术应对恶劣环境。

以金属微纳颗粒为基体的连接技术能够很好的克服上述问题。根据尺寸效应，利用微米或纳米银颗粒在低温时烧结形成块状银接头，达到低温键合、高温服役的目的，这为芯片互连提出了新的思路，但是银的高成本、电迁移问题仍然是烧结银工艺的主要弊端。

铜作为一种相较于银的廉价金属，具有相当于银的高导电性和高导热系数，并且相较于银，其抗电迁移性优良，逐渐成为研究热点。但是铜烧结过程中较高的烧结温度以及易氧化的特点阻碍了烧结铜技术的应用。如果通过减小铜颗粒尺寸来降低烧结温度会因表面能提高而增加铜颗粒氧化的风险；利用甲酸等强还原气体既会增加成本，又会导致表面腐蚀，因此开发一款新型浆料非常有必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有铜基浆料烧结温度高和易氧化的技术问题，而提供了一种半导体封装用低温烧结铜浆料及其制备方法。

本发明的一种半导体封装用低温烧结铜浆料按质量分数由铜粉60-80％、MOD油墨3-30％、还原剂1-15％和余量有机溶剂制备而成。

进一步限定，所述铜粉粒径为0.5-3μm。

进一步限定，所述铜粉形貌为球状、片状、树枝状中的一种或几种按任意比的混合。

进一步限定，所述还原剂为丙三醇、抗坏血酸、葡萄糖中的一种或几种按任意比的混合。

进一步限定，所述有机溶剂为松油醇、乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400中的一种或几种按任意比的混合。

进一步限定，所述MOD油墨由铜源和胺按1：(2-4)的摩尔比制备而成。

更进一步限定，所述铜源为甲酸铜、甲酸铜水合物、氢氧化铜、醋酸铜、乳酸铜、油酸铜中的一种或几种按任意比的混合。

更进一步限定，所述胺为丁胺、辛胺、异丙醇胺、2-氨基-2甲基-1-丙醇、1-氨基-2-丙醇中的两种或几种按任意比的混合。

更进一步限定，所述MOD油墨的具体制备过程为：在室温下，通过磁力搅拌使铜源和胺混合20-30min，得到MOD油墨。

本发明的一种半导体封装用低温烧结铜浆料的制备方法按以下步骤进行：

将铜粉、MOD油墨、还原剂和有机溶剂按比例混合，然后进行二级分散研磨，再搅拌脱泡，得到半导体封装用低温烧结铜浆料。

进一步限定，二级分散研磨后利用刮板细度计测试的分散度为2.5-5μm。

进一步限定，搅拌脱泡参数：离心搅拌机的公转转速为900-1100rpm、公转时间为2-4min，自转转速为700-900rpm、自转时间为0.5-1.5min。

本发明的一种半导体封装用低温烧结铜浆料包括但不仅限于如下应用：芯片下表面与基板的烧结连接，芯片上表面的表面层制备与连接，模块与散热器的烧结连接。

本发明与现有技术相比具有的显著效果：

本发明利用MOD油墨与还原剂的共同作用，实现烧结铜基浆料在低温烧结的同时有并具有较高的力学性能，同时互连接头的可靠性有显著提升。具体优点如下：

1)本发明利用MOD油墨与还原剂的共同作用，提出了一款适用于低温烧结且具有自还原性的微米铜基浆料，相较于在铜浆料中单独添加MOD油墨或者还原剂，互连接头的剪切强度有明显上升。

2)本发明通过调节浆料组分的最佳配比，获得的互连接头具有优异的烧结强度、高导热性能、高可靠性和低的电阻率。烧结条件为250℃、20MPa，在氮气氛围下保温10min，制备的互连接头的剪切强度达到83.6MPa，即使温度降低至210℃，烧结强度也可以达到43.4MPa。

3)本发明制备的互连接头在-40～125℃的温度循环试验下，测得剪切强度有所提升，表面互连接头的高可靠性。

附图说明

图1为应用例1得到的互连接头的剪切强度对比图；

图2为应用例2得到的互连接头的导热性能对比图；

图3为应用例2得到的互连接头的电阻率对比图；

图4为采用本发明实施例1的铜浆料制备的互连接头在温度循环试验后的剪切强度变化图；

图5为采用本发明实施例1的铜浆料在不同烧结温度下制备的互连接头的剪切强度对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

下述实施例中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。

本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。

实施例1：本实施例的一种半导体封装用低温烧结铜浆料按质量分数由铜粉75％、MOD油墨10％、还原剂5％和有机溶剂10％制备而成，所述铜粉粒径为1-3μm的片状铜粉，所述还原剂为丙三醇，所述有机溶剂为松油醇，所述MOD油墨由铜源和胺按1：3的摩尔比制备而成，所述铜源为四水甲酸铜，所述胺为丁胺和辛胺按2:7的质量比的混合。

所述半导体封装用低温烧结铜浆料的制备方法按以下步骤进行：

首先，在室温下，通过磁力搅拌，在250rpm下使6.17g四水甲酸铜、2g丁胺和7g辛胺混合30min，得到MOD油墨；

然后，将铜粉、MOD油墨、还原剂和有机溶剂加入到溶液内，利用刮刀进行初步搅拌，然后利用分散研磨机对其进行二级分散研磨，分散研磨机间隙应由大到小逐步过渡，保证粉末不会因挤压变形而导致失去原有形貌，与此同时使颗粒间的团聚充分打开，二级分散研磨后利用刮板细度计测试的分散度为5μm，分散后利用离心搅拌机搅拌脱泡，公转转速为1000rpm、公转时间为3min，自转转速为800rpm、自转时间为1min，得到半导体封装用低温烧结铜浆料。

对比例1：本对比例的一种半导体封装用铜浆料按质量分数由铜粉75％、MOD油墨15％和有机溶剂10％制备而成，所述铜粉粒径为1-3μm的片状铜粉，所述有机溶剂为松油醇，所述MOD油墨由铜源和胺按1：3的摩尔比制备而成，所述铜源为四水甲酸铜，所述胺为丁胺和辛胺按2:7的质量比的混合。

所述铜浆料的制备方法按以下步骤进行：

首先，在室温下，通过磁力搅拌，在250rpm下使6.17g四水甲酸铜、2g丁胺和7g辛胺混合30min，得到MOD油墨；

然后，将铜粉、MOD油墨和有机溶剂加入到溶液内，利用刮刀进行初步搅拌，然后利用分散研磨机对其进行二级分散研磨，分散研磨机间隙应由大到小逐步过渡，保证粉末不会因挤压变形而导致失去原有形貌，与此同时使颗粒间的团聚充分打开，二级分散研磨后利用刮板细度计测试的分散度为2.5-5μm，分散后利用离心搅拌机搅拌脱泡，公转转速为1000rpm、公转时间为3min，自转转速为800rpm、自转时间为1min，得到半导体封装用铜浆料。

对比例2：本实施例的一种半导体封装用低温烧结铜浆料按质量分数由铜粉75％、MOD油墨5％、还原剂10％和有机溶剂10％制备而成，所述铜粉粒径为1-3μm的片状铜粉，所述还原剂为丙三醇，所述有机溶剂为松油醇，所述MOD油墨由铜源和胺按1：3的摩尔比制备而成，所述铜源为四水甲酸铜，所述胺为丁胺和辛胺按2:7的质量比的混合。

所述半导体封装用低温烧结铜浆料的制备方法按以下步骤进行：

首先，在室温下，通过磁力搅拌，在250rpm下使6.17g四水甲酸铜、2g丁胺和7g辛胺混合30min，得到MOD油墨；

然后，将铜粉、MOD油墨、还原剂和有机溶剂加入到溶液内，利用刮刀进行初步搅拌，然后利用分散研磨机对其进行二级分散研磨，分散研磨机间隙应由大到小逐步过渡，保证粉末不会因挤压变形而导致失去原有形貌，与此同时使颗粒间的团聚充分打开，二级分散研磨后利用刮板细度计测试的分散度为5μm，分散后利用离心搅拌机搅拌脱泡，公转转速为1000rpm、公转时间为3min，自转转速为800rpm、自转时间为1min，得到半导体封装用低温烧结铜浆料。

对比例3：本对比例的一种半导体封装用低温烧结铜浆料按质量分数由铜粉75％、还原剂15％和有机溶剂10％制备而成，所述铜粉粒径为1-3μm的片状铜粉，所述还原剂为丙三醇，所述有机溶剂为松油醇。

所述铜浆料的制备方法按以下步骤进行：

将铜粉、还原剂和有机溶剂加入到溶液内，利用刮刀进行初步搅拌，然后利用分散研磨机对其进行二级分散研磨，分散研磨机间隙应由大到小逐步过渡，保证粉末不会因挤压变形而导致失去原有形貌，与此同时使颗粒间的团聚充分打开，二级分散研磨后利用刮板细度计测试的分散度为5μm，分散后利用离心搅拌机搅拌脱泡，公转转速为1000rpm、公转时间为3min，自转转速为800rpm、自转时间为1min，得到半导体封装用铜浆料。

应用例1：将实施例1以及对比例1-3铜浆料用于功率芯片封装互连，具体过程如下：

将实施例1以及对比例1-3的铜浆料通过钢网印刷法印制在陶瓷覆铜基板上，钢网开孔参数为2mm*2mm*100μm，印刷后在氮气氛围中进行烘干，烘干参数为140℃/20min，烘干后在浆料层表面贴装背银硅片，然后在烧结条件为：250℃、20MPa、10min下进行烧结，完成芯片与基板的互连。

应用例2：将实施例1以及对比例1-3铜浆料用于导热样品制备，具体过程如下：

将实施例1以及对比例1-3的铜浆料通过专用模具印制在陶瓷基板上，模具开孔参数为r＝5mm、h＝0.8mm，印刷后在氮气氛围中进行烘干，烘干参数为140℃/20min，烘干后在浆料层表面覆盖陶瓷片，然后在烧结条件为：250℃、20MPa、10min下进行烧结，制作成厚度均匀、表面平整的圆形片状样品。

检测试验：

(一)、对应用例1制作的互连接头的平均剪切强度进行检测，具体过程如下：

剪切测试：使用推拉力测试机对烧结接头进行剪切测试，剪切高度为15μm、剪切速度为30μm/min，记录剪切强度数据。

测试结果如图1所示，从图1可以看到，实施例1的平均剪切强度为86.31MPa，对比例1、2、3的平均剪切强度分别为21.06MPa、48.09MPa、32.04MPa，采用本实施例1的低温烧结铜浆料的互连接头平均强度远高于对比例。

(二)、对应用例2制作的圆形片状样品的导热率进行检测，具体过程如下：

导热测试：使用激光闪射法对圆形片状样品的热扩散系数进行检测，测试温度为室温，脉冲宽度为20μs，测得样品的比热容和密度，计算得出导热率并记录。

测试结果如图2所示，从图2可以看到，实施例1的导热率为220.08(W/(m·K))，对比例1、2、3的导热率分别为59.03(W/(m·K))、96.87(W/(m·K))、75.95(W/(m·K))，采用本实施例1的低温烧结铜浆料的圆形片状样品的导热率远高于对比例。

(三)、对应用例2制作的圆形片状样品的电阻率进行检测，具体过程如下：

电阻率测试：使用四探针法对圆形片状样品的电阻进行检测，测试温度为室温，然后根据公式计算得出电阻率并记录。

式中：

ρ为试样体积电阻率，l为探针距离，U为测得的电势差，I为测得的电流，F为修正系数，根据试样厚度h、直径D和探针间距l从仪器的修正系数表查询。

测试结果如图3所示，从图3可以看到，实施例1的电阻率为0.01mΩ·cm，对比例1、2、3的导热率分别为59.03mΩ·cm、96.87mΩ·cm、75.95mΩ·cm，采用本实施例1的低温烧结铜浆料的圆形片状样品的电阻率远高于对比例。

(四)、对应用例1中采用本发明实施例1的低温烧结铜浆料制作的互连接头进行温度循环试验下可靠性测试，具体过程如下：

(1)温度循环处理：温度循环根据JEDEC标准设置温度区间为-40～125℃，升温和降温速率为5K/min，在高温和低温分别停留15min，在100，200，300，400，500，600循环周次下取出做互连强度剪切测试。

(2)剪切测试：使用推拉力测试机对烧结接头进行剪切测试，剪切高度为15μm、剪切速度为100μm/s，记录剪切强度数据。

测试结果如图4所示，从图4可以看到，实施例1的接头剪切强度在温度循环后都高于未循环接头的剪切强度，表现出了较高的可靠性。

(五)、对采用实施例1的低温烧结铜浆料在不同烧结温度下制作的互连接头的平均剪切强度进行检测，具体过程如下：

(1)互连接头制备：将配制好的实施例1的低温烧结铜浆料通过钢网印刷法印制在陶瓷覆铜基板上，钢网开孔参数为2mm*2mm*100μm，印刷后在氮气氛围中进行烘干，烘干参数为140℃/20min，烘干后在浆料层表面贴装背银硅片，烧结压力与烧结时间分别为：20MPa、10min，烧结温度选择250℃/230℃/210℃，完成芯片与基板的互连。

(2)剪切测试：使用推拉力测试机对烧结接头进行剪切测试，剪切高度为15μm、剪切速度为30μm/min，记录剪切强度数据。

测试结果如图5所示，从图5可以看到，即使烧结温度低至210℃时，互连接头的烧结强度也可以达到43.81MPa。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种半导体封装用低温烧结铜浆料，其特征在于，它按质量分数由铜粉60-80％、MOD油墨3-30％、还原剂1-15％和余量有机溶剂制备而成。

2.根据权利要求1所述的铜浆料，其特征在于，铜粉粒径为0.5-3μm，铜粉形貌为球状、片状、树枝状中的一种或几种的混合。

3.根据权利要求1所述的铜浆料，其特征在于，还原剂为丙三醇、抗坏血酸、葡萄糖中的一种或几种的混合。

4.根据权利要求1所述的铜浆料，其特征在于，有机溶剂为松油醇、乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400中的一种或几种的混合。

5.根据权利要求1所述的铜浆料，其特征在于，MOD油墨由铜源和胺按1：(2-4)的摩尔比制备而成。

6.根据权利要求5所述的铜浆料，其特征在于，铜源为甲酸铜、甲酸铜水合物、氢氧化铜、醋酸铜、乳酸铜、油酸铜中的一种或几种的混合，胺为丁胺、辛胺、异丙醇胺、2-氨基-2甲基-1-丙醇、1-氨基-2-丙醇中的两种或几种的混合。

7.根据权利要求5所述的铜浆料，其特征在于，MOD油墨的具体制备过程为：在室温下，通过磁力搅拌使铜源和胺混合20-30min，得到MOD油墨。

8.权利要求1-7任一项所述的半导体封装用低温烧结铜浆料的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：

将铜粉、MOD油墨、还原剂和有机溶剂按比例混合，然后进行二级分散研磨，再搅拌脱泡，得到半导体封装用低温烧结铜浆料。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，二级分散研磨后利用刮板细度计测试的分散度为2.5-5μm，搅拌脱泡参数：离心搅拌机的公转转速为900-1100rpm、公转时间为2-4min，自转转速为700-900rpm、自转时间为0.5-1.5min。

10.权利要求1-7任一项所述的半导体封装用低温烧结铜浆料的应用，其特征在于，它包括但不仅限于如下应用：芯片下表面与基板的烧结连接，芯片上表面的表面层制备与连接，模块与散热器的烧结连接。

Images