[发明专利]一种用于功率器件封装的多尺度Cu@Ag微纳米复合钎料及制备方法

说明书

本发明涉及一种用于功率器件封装的多尺度Cu@Ag微纳米复合钎料及制备方法，包括Cu@Ag核壳包覆颗粒制备、各尺度Cu@Ag配比、助焊剂制备、复合钎料制备。通过液相还原法制备纳米与微米级Cu@Ag核壳包覆材料，平均粒径为50nm、5μm、20μm，依照Dinger‑Funk球形颗粒堆积公式计算构成复合钎料的混合粉末中纳米包覆材料的质量分数，通过对比实验确定两种微米包覆材料的质量分数，根据计算与实验结果优选配比。本发明通过理论计算与实验相结合的办法优选出三种尺度包覆颗粒的最佳配比，相较于封装领域其它纳米材料，例如纳米银膏，在显著降低成本的同时保证了互连结构具备优异力学性能，同时实现低温连接高温服役的目的。

技术领域

本发明涉及一种用于功率器件封装的多尺度Cu@Ag微纳米复合钎料及制备方法。

背景技术

在电子封装技术领域，由于电子器件不断向集成化、微型化、绿色化方向发展及以高功率密度、宽禁带为特征的第三代半导体功率器件的广泛应用，这就要求互连接头应具备优异的导电导热性能、低温连接高温服役能力、高可靠性，同时要求互连材料遵循无铅化的环保趋势。目前，新型无铅高温钎料研究主要集中在Au-Sn，Au-Ge，Zn-Al，Zn-Sn，和Sn-Sb合金以及其它合金材料，但技术尚不成熟。但上述技术均存在着不足之处，例如Au基硬度高吸收热应力能力弱且成本高；Zn基应力松弛能力差、加工性能差，含有的Al等元素易氧化；Bi-Ag系钎料导热导电性差等。

目前纳米银膏已应用于实际生产中，这是由于尺寸效应，纳米Ag颗粒的表面能高、比表面原子数多，表面原子活性大，熔点低，利于实现低温连接及烧结过程中扩散过程的进行，作为互连材料具有较好的导电导热性能，同理纳米铜膏亦如此，但两者均存在缺陷。以核壳包覆形式制备的纳米Cu@Ag兼具两者的优点同时克服了Cu易氧化，Ag离子迁移且Ag价格昂贵等缺点。

然而，由于纳米银价格昂贵，且纳米材料成本较高，因此将纳米Cu@Ag作为互连材料存在生产成本高等问题，若在保证导电导热性能与力学性能基础上，掺入一定量的微米Cu@Ag可有效降低成本。K.Suganuma等人研究发现多尺度亚微米Ag的力学性能与纳米Ag相当，但成本仅为其十分之一，而对于多尺度微纳米Cu@Ag的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于功率器件封装的多尺度Cu@Ag微纳米复合钎料及制备方法，在保证力学性能的同时，解决纳米银膏在大规模应用时存在成本高昂及服役过程中因银离子迁移而引起器件短路失效等问题。

一种用于功率器件封装的多尺度Cu@Ag微纳米复合钎料为焊膏形式，由多尺度包覆材料组成的混合粉末与助焊剂构成，混合粉末质量分数为70％～90％，助焊剂质量分数为10％～30％。

多尺度包覆材料Cu@Ag的平均粒径为50nm、5μm、20μm，粒径范围是30～70nm、3～7μm、15～25μm，根据球形颗粒堆积理论，依照Dinger-Funk堆积公式计算纳米颗粒的质量分数，并结合6组两微米级颗粒含量的对比实验结果，确定三种颗粒在钎料中的质量比为6：1.5：2.5，此配比下的钎料烧结结构力学性能最佳。

助焊剂依照质量分数由20％活性剂、32.5％成膜剂、1.5％触变剂、1％调节剂、1.5％表面活性剂、1％缓蚀剂和其余溶剂组成。活性剂为硬脂酸；成膜剂由混合松香和聚乙二醇构成，质量比为5：1，其中混合松香由松香和氢化松香构成，质量比为1：1；调节剂为三乙醇胺；表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚；溶剂为异丙醇。

一种上述用于电子封装领域的多尺度微纳米颗粒复合焊膏及其制备方法，步骤如下。

步骤一：制备Cu@Ag颗粒。

第一步：称取适量铜粉，加入配置体积浓度为20％的硫酸清洗，进行离心，洗涤，同时配制前驱反应液，在酸洗之后处理铜粉。

第二步：配制银氨溶液，将硝酸银溶液与氢氧化钠溶液混合，加入氨水直至产生的沉淀消失。