[发明专利]一种纳米铜材料的低温烧结连接方法

说明书

本发明提供一种纳米铜材料的低温烧结连接方法，所述方法包括在经催化的甲酸气体氛围中进行烧结，烧结过程中，先升温至80‑200℃，保温5‑10min，再在压强0‑30MPa、温度0‑280℃条件下继续烧结3‑30min；其中，利用负载在多孔加热陶瓷片表面的催化剂薄膜催化甲酸气体。本发明利用纳米薄膜形式的催化剂催化甲酸，在特定烧结工艺窗口下对纳米铜材料进行低温烧结连接，该方法可以解决纳米铜材料力学性能不强、电气性能不佳的难点问题，而且该烧结连接方法还原效果显著、经济环保、效率高。

技术领域

本发明涉及电子封装技术领域，尤其涉及一种纳米铜材料的低温烧结连接方法。

背景技术

随着半导体行业的发展，功率半导体在半导体器件中的分量愈发重要，主要以功率金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管以及功率集成电路为主，国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。功率半导体内部高导热的DBC基板衬底材料和芯片连接层材料多用铜焊膏进行封装，在烧结的时候存在Cu氧化导致电气性能下降和有机物挥发产生大量孔洞导致连接层强度降低的双重问题，同时功率半导体在使用时并不能在高温下工作，因此工业上急需一种在烧结过程中使纳米铜材料得到还原并降低孔隙率的高效低温烧结方法。

在烧结中常见的还原方法大体分为两类，一是在焊膏中加入还原性物质，该方法较为常见，但由于只作用于涂有焊膏的连接部位，烧结时其它部位也会被氧化从而影响使用。二是在烧结时利用气氛进行还原，在相关技术中，李素娟等(CN106340802A)直接利用甲酸气氛还原已烧结完成的样品，由于未经催化的甲酸直接还原CuO的化学过程较为复杂，导致直接使用甲酸还原处理时间较长，还原效果并不理想。Ren等(Low temperature Cubonding with large tolerance of surface oxidation.AIP Advances 9,doi:10.1063/1.5097382)利用C粉为载体，Pt粉为催化剂催化甲酸气体进行烧结，但存在气体吹出时容易混入Pt、C粉末污染样品，粉末状催化剂催化效果不充分等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种纳米铜材料的低温烧结连接方法。

第一方面，本发明提供一种纳米铜材料的低温烧结连接方法，包括：在经催化的甲酸气体氛围中进行烧结，烧结过程中，先升温至80-200℃，保温5-10min，再在压强0-30MPa、温度0-280℃的条件下继续烧结3-30min；其中，利用负载在多孔加热陶瓷片表面的催化剂薄膜催化甲酸气体。

本发明利用负载在多孔加热陶瓷片表面的催化剂薄膜催化甲酸气体，可以使甲酸气体充分催化，且催化后的甲酸气体不会混有催化剂，将充分催化的甲酸在特定烧结工艺窗口下对纳米铜材料进行还原，可以解决烧结过程中铜氧化导致的电气性能下降问题以及连接强度降低的问题。

本发明的纳米铜材料包括铜焊膏、具有纳米结构的铜焊片、铜薄膜等常见铜材料。

其中，先升温至80-200℃保温5-10min的操作，能更好地解决铜焊膏因有机物挥发导致的性能降低问题。

根据本发明提供的纳米铜材料的低温烧结连接方法，所述催化剂薄膜为Pt纳米薄膜或Pd纳米薄膜，所述催化剂薄膜通过脉冲激光沉积负载在多孔加热陶瓷片表面。

脉冲激光沉积(PLD)是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。该手段属于本领域已知的成熟技术，可按常规操作进行。在本发明的具体实施例中，为提高效率，所述脉冲激光沉积采用高气压双靶镀膜。

进一步地，所述多孔加热陶瓷片的厚度为2-50mm，所述催化剂薄膜的厚度为10-1000μm。

根据本发明提供的纳米铜材料的低温烧结连接方法，所述多孔加热陶瓷片上的孔洞直径为0.1-5mm，所述多孔加热陶瓷片使催化温度控制在100-300℃。