[发明专利]一种具有微纳米核壳结构的互连材料制备方法

说明书

本发明提供一种具有微纳米核壳结构的互连材料制备方法，包括：i.微纳米铜颗粒与保护剂、溶剂混合；ii.将溶剂、络合剂、壳层金属前驱体混合均匀；iii.将步骤i和ii混合进行反应，经过滤、洗涤、烘干制得核壳结构微纳米颗粒；iiii.将所述核壳结构微纳米颗粒与连接剂、溶剂、触变剂混合均匀，经研磨、振荡、超声、浓缩，得到具有微纳米核壳结构的金属膏体；所述微纳米膏体中微纳米铜核尺寸为50nm～500μm，纳米金属壳尺寸为1～50nm。本方法成本低廉，普适用于纳米微米尺度范围内的金属颗粒，可在低温无压下实现基板与芯片的封装互连，烧结时原子扩散形成的金属合金具有更高的熔点，有利于器件高温服役，在半导体芯片封装领域有着较好的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体芯片封装互连领域，具体为一种具有微纳米核壳结构的互连材料制备方法。

背景技术

近年来，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料凭借其高热导率、高电子迁移速率、宽禁带、大击穿强度等优异性能受到业界关注。基于第三代半导体材料制备的功率器件能显著降低设备损耗、提升性能、实现设备体积质量轻便化，在一些需要大功率、高服役温度、高电压高频率的工作环境中具有优异的可靠性和服役稳定性。但随着器件功率的加大以及产热的增加，对相应配套的封装互连材料也提出了更为苛刻的要求。目前应用于高服役温度的封装互连方式主要有纳米银烧结法、瞬态液相连接法和高温合金钎料焊接等。其中纳米银烧结法被认为是最有潜力的封装工艺，其可低温下烧结，所得焊点能耐受更高的服役温度，但该方法也存在着银迁移的问题，此外烧结焊缝中含有大量孔洞不但影响导电和散热，还极易成为微裂纹萌生和扩展源，这些问题都会对后续服役造成潜在的威胁或者致命性破坏。瞬态液相连接法也能实现低温焊接焊点高温服役的目的，但由于工艺本身的限制，所得焊缝很薄(≤30μm)，过薄的全金属间化合物焊缝吸收应力应变的能力差，可靠性不高。

现有技术中的方法大多仅适用于纳米尺寸的铜颗粒，或仅适用于微米级的铜颗粒无法进行纳米尺度精确调控，且方法中需要用到硼氢化钠、氢氧化钠等强还原、强碱性试剂，制备方法后处理工艺采用离心，耗时长、成本高，不具备有大批量、满足工业化生产的条件。

发明内容

为解决现有技术的不足，满足第三代半导体器件对封装材料的苛刻要求，本发明从基础化学合成出发，目的在于提供一种能在低温下实现烧结，所得烧结颈具有更高的服役温度的封装互连材料。对无机合成工艺的创新，探索了一种应用于芯片封装具有核壳结构的微纳米金属粒子的能实现温和的、大批量、工业化生产的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供一种具有微纳米核壳结构的互连材料制备方法，包括以下制备步骤：

i.微纳米铜颗粒与保护剂、溶剂混合，制得微纳米铜分散液；

ii.将溶剂、络合剂、壳层金属前驱体混合均匀进行反应，得到预制液；

iii.将所述微纳米铜分散液与所述预制液混合进行反应，经过滤、洗涤、烘干制得核壳结构微纳米颗粒；

iiii.将所述核壳结构微纳米颗粒与连接剂、溶剂、触变剂混合均匀，经研磨、振荡、超声、浓缩，得到具有微纳米核壳结构的金属膏体；所述金属膏体中微纳米铜核尺寸为50nm～500μm，纳米金属壳尺寸为1～50nm。

优选的，所述步骤i中的微纳米铜颗粒尺寸均一，尺寸大小为50nm～500μm。

优选的，所述步骤i中的微纳米铜颗粒至少具有第一尺寸和第二尺寸，其中第一尺寸为50nm～1μm，第二尺寸为1μm～500μm。

优选的，所述步骤i中的保护剂为柠檬酸钠、十六烷基溴化铵、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、三乙醇胺、油酸、聚丙烯酰胺中的一种；溶剂为水、乙醇、异丙醇、丙三醇、乙二醇、一缩二乙二醇、丙二醇、甲醇中的一种。

优选的，所述步骤ii中的络合剂为硫脲，所述壳层金属前驱体为草酸亚锡、乙二酸亚锡、氯化亚锡、硫酸亚锡中的一种。