[发明专利]纳米焊剂及其制备方法，器件及焊接方法

说明书

本发明公开了一种纳米焊剂，包括：保护剂、纳米碳化钼、纳米铜粉和溶剂，所述保护剂包裹在所述纳米铜粉的表面形成保护剂层，所述纳米碳化钼镶嵌在所述纳米铜粉的保护剂层上，所述保护剂用于保护所述纳米铜粉不被氧化。本发明还公开了一种纳米焊剂的制备方法。本发明还公开了一种器件，包括基板、芯片，所述基板和芯片之间通过所述的纳米焊剂和粘结剂的混合物进行焊接。本发明还公开了一种焊接方法，包括以下步骤：将所述的纳米焊剂和粘结剂的混合物施加在基板与芯片之间，进行预烧结，预烧结温度65℃～180℃，预烧结时间5s～120s；预烧结结束之后立即升温至二次烧结温度进行二次烧结，所述二次烧结温度为250℃～320℃，二次烧结时间为5min～30min。

技术领域

本发明涉及电子封装互连纳米材料技术领域，特别是涉及纳米焊剂及其制备方法，器件及焊接方法。

背景技术

随着5G通信技术的商业突破，对电子器件的性能要求也不断提升，对器件功率以及稳定性提出了更高的要求。由于第三代半导体碳化硅，氮化镓具有击穿电场强度高、热稳定性好且载流子饱和漂移速度高等优点，在高功率器件中具备应用优势，其最高工作温度可达600℃，且高温环境下稳定性高。其工作温度对芯片互连材料及工艺发出了巨大的挑战，亟需开发出良好的互连材料体系，使其能够具备特殊的导热，导电性能以及高温度循环可靠性。

近年来，以金属纳米为基体的纳米纳米焊剂用于封装大功率芯片的方案成为研究热点，其具备低温低压烧结的特性，其中包括纳米铜，不仅具备良好的导电率和导热率而且成本低于纳米银更适合电子产业的商业应用，其问题在存在问题：(1)易于氧化。与大尺寸的铜相比，纳米铜更加活泼，更容易被氧化，在空气中与氧气接触易被氧化。在纳米铜烧结膏的制作、储存、烧结的过程中都需要对纳米铜做抗氧化处理。(2)颗粒容易团聚。由于大比表面积的原因，纳米颗粒的表面能较高，性质比较活泼，容易出现团聚等问题，团聚使得纳米铜的颗粒逐渐变大，减少了纳米铜烧结膏的烧结驱动力，提高了烧结所需温度。

烧结膏在制备与储存过程中一般采用三种技术提高纳米铜烧结膏的抗氧化性能：第一种是在纳米铜表面包覆具有一定抗氧化性与分散性的有机化合物。比如咪唑类化合物、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)等保护剂。这是最为常用的方法，成本较低，但是较低浓度的保护剂的抗氧化性能与分散性能并不理想。若提高保护剂的浓度或采用吸附性较好且稳定性高的保护剂，虽然提高纳米铜颗粒的稳定性以及抗氧化性，但是在烧结过程中会出现有机保护剂挥发不全并残留的问题，降低了烧结体的烧结效果与烧结质量。第二种是添加具有一定还原性的有机溶剂，如柠檬酸钠、抗坏血酸，该方法主要用于纳米铜的制备，不利于较长时间的保存。第三种在铜表面镀上一层抗氧化性较好的金属(比如金、银)，防止纳米铜颗粒的氧化。但是该技术存在很多问题，抗氧化效果不理想，壳结构的覆盖效果没有那么完美，且工艺复杂，成本较高，会降低铜的成本优势。

发明内容

基于此，有必要针对铜为基体的纳米焊剂容易氧化的问题，提供一种纳米焊剂及其制备方法，器件及焊接方法。

一种纳米焊剂，包括：保护剂、纳米碳化钼、纳米铜粉和溶剂，所述保护剂包裹在所述纳米铜粉的表面形成保护剂层，所述纳米碳化钼镶嵌在所述纳米铜粉的保护剂层上，所述保护剂用于保护所述纳米铜粉不被氧化。

在其中一些实施例中，所述碳化钼为β-碳化钼。

在其中一些实施例中，纳米铜粉的粒径为20nm～100nm。

在其中一些实施例中，所述碳化钼的粒径为2nm～40nm。

在其中一些实施例中，所述碳化钼与所述铜粉的质量比为1:(9～49)。

在其中一些实施例中，所述铜粉的表面不含有氧化物。

在其中一些实施例中，所述保护剂选自聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸钠、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。