[发明专利]一种多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法

说明书

本发明提供一种多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法，通过化学法制备大尺寸纳米铜膏体，再通过物理冲击的方法赋予小尺寸纳米金属颗粒动能，使其被打入大尺寸纳米铜膏体中，配置大小尺寸混合的纳米金属复合膏体。该膏体在使用于烧结工艺时，小尺寸纳米金属颗粒会填补在大尺寸纳米金属颗粒的间隙之中，有利于在无压力辅助的情况下实现纳米铜连结，提升烧结后金属层的致密性。同时，物理法打入小尺寸纳米金属颗粒的含量可控，操作简便，适于量产。

技术领域

本发明涉及芯片封装领域，更具体地涉及金属膏体的制备技术。

背景技术

在功率半导体封装领域，寻求低温工艺、高温服役、热膨胀系数相匹配、高导热导电、低成本的互连材料成为现在急需解决的问题。以焊接及引线键合的传统材料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线缠绕、寄生参数等无法解决的问题，新型互连材料正从焊接向烧结技术发展。通过减小烧结颗粒的尺寸，降低烧结温度，纳米金属颗粒烧结技术已经成为功率半导体器件新型互连材料中最有前景的技术。

目前以纳米银烧结为代表的先进工艺已逐渐成为功率半导体器件封装互连的主流，国内外主要封装应用厂商已进入实用化和规模化使用中。然而纳米银烧结专利、材料、工艺及设备主要由国外厂商控制，在国内的发展受到较大限制。同时纳米银烧结技术也存在不足：1)银材料本身价格较高，限制其不能被广泛使用。2)银和SiC芯片背面材料热膨胀系数的不同，需要添加其它中间金属层提高互连性能，从而增加了工艺复杂性和成本。3)银层存在电迁移现象，不利于功率器件长期可靠应用。与纳米银近似的纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。其单组分金属的特性，避免了合金材料热循环效应下的服役可靠性问题，实现铜铜键合，解决芯片和基板之间热膨胀系数匹配的问题，同时避免电迁移现象导致可靠性问题。对比纳米银颗粒，有效降低互连封装的材料和加工成本。更重要的是能够从芯片封装应用领域，进一步推进“全铜化”(All copper)理念的实际应用和产业化，推动半导体产业的创新发展。

公开号为CN102651249A的中国专利申请，其公开了一种纳米铜膏、形成其的方法和利用其形成电极的方法。纳米铜膏主要由0.1-30wt％粘合剂、10wt％添加剂、1-95wt％铜颗粒构成，其中纳米金属颗粒具有150nm或更小粒径(更优选的是20nm)，其表面用帽化材料涂覆。形成纳米金属颗粒的方法步骤主要为：1)向反应器中提供铜化合物、还原剂、溶剂来形成混合溶液；2)加入帽化材料；3)在降低施加于所述反应器的温度时，加入具有10nm或更小粒径的铜纳米颗粒。其缺点在于：1)单一尺寸纳米金属颗粒，制成的铜膏在烧结时有很大可能性产生较大孔隙率；2)纳米金属颗粒都由化学还原的方法制备，制备最小尺寸有限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于电气互连的可烧结多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法和应用，可以在无压力辅助的情况下实现纳米铜连结，提升烧结后金属层的致密性。同时由于采用纳米铜材料，可以避免原有复合多层银膜高孔隙率、低热导率、高成本、与Si或SiC基芯片热失配、高电迁移率等问题，提高功率器件整体可靠性性能，同时具备易于装配的特点，可有效降低成本。

本发明提供了一种多尺寸混合纳米颗粒膏体，包括：

第一材料膏体，所述第一材料膏体中包含第一尺寸纳米金属颗粒；

第二尺寸纳米金属颗粒；

所述第二尺寸纳米金属颗粒填补至所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙；

所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。

优选的，所述纳米金属颗粒材料为铜。

优选的，所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。

优选的，所述第一尺寸纳米金属颗粒直径为1nmD10um。