一種脈沖電流低溫快速燒結(jié)制備高溫服役納米晶接頭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，涉及一種低溫快速制備可高溫服役的納米晶接頭的方法，具體涉及一種通過脈沖電流低溫快速燒結(jié)納米焊膏得到致密度良好、無孔洞的高溫服役納米晶接頭的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著第三代功率半導(dǎo)體SiC的問世，功率電子器件逐漸受到人們的關(guān)注。其中，芯片與基板之間的連接材料至關(guān)重要，為整個器件提供機械支持、電器導(dǎo)通以及散熱等功能。無鉛焊料中應(yīng)用最為廣泛的中低溫釬料不能滿足功率半導(dǎo)體的高溫工作要求，且高溫釬料的研究仍處于相對空白的狀態(tài)。
[0003]納米焊膏由于其燒結(jié)溫度遠低于塊體材料的熔點，燒結(jié)后組織熱穩(wěn)定溫度升高，整個連接過程不會對器件尤其是基板造成任何熱損傷，被認作新一代芯片與基板的連接材料。然而，納米焊膏的燒結(jié)過程通常要求半小時以上，長時間的燒結(jié)容易引起熱敏感器件的可靠性問題并嚴(yán)重影響生產(chǎn)速度，且無可避免的晶粒粗化使得接頭機械性能降低。
[0004]脈沖電流低溫快速燒結(jié)納米焊膏制備高溫服役納米晶接頭，一方面電流產(chǎn)生的焦耳熱主要集中在納米焊膏與金屬基板界面處，溫度瞬間升至燒結(jié)溫度，同時在電迀移、位錯加速運動的作用下，原子加速擴散，電迀移與熱擴散同時發(fā)生促進納米顆粒間的頸縮過程，且能夠抑制由于晶粒粗化引起的機械性質(zhì)降低；另一方面，電流作用下的誘發(fā)放電等離子體效應(yīng)促進納米顆粒表層包覆的有機物薄膜的破裂、降解，提高燒結(jié)后納米焊膏的致密性以及熱導(dǎo)率。
[0005]相比于傳統(tǒng)熱壓低溫?zé)Y(jié)納米焊膏制備高溫服役納米晶接頭的方法，脈沖電流輔助的方法最為顯著地便是時間短，一般在幾毫秒到幾秒之間，且整個過程不會對基板造成任何損傷，最終得到具有高導(dǎo)熱率、高強度的高溫服役的納米晶接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決傳統(tǒng)低溫?zé)釅簾Y(jié)納米焊膏制備高溫服役納米晶接頭過程中的長時間、晶粒易粗化的問題，本發(fā)明提供一種脈沖電流低溫快速燒結(jié)制備高溫服役納米晶接頭的方法，利用脈沖電流的高能量、短時間的特點，從而避免燒結(jié)過程中晶粒粗化以及器件熱損傷的問題。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種脈沖電流低溫快速燒結(jié)制備高溫服役納米晶接頭的方法，按照以下方法進行:
一、采用液相還原法制備金屬納米顆粒:
將含金屬鹽前驅(qū)體的溶液緩慢滴加到含有表面活性劑和還原劑的溶液中，其中金屬鹽前驅(qū)體、表面活性劑和還原劑的質(zhì)量比在2:1:3~2:1:5之間，同時伴隨強烈的攪拌，在160~210°C下持續(xù)反應(yīng)進行1~3 h，之后經(jīng)反復(fù)離心、清洗3~5次，得到金屬納米顆粒，放在真空烘干箱中，室溫保持12~24h。
[0008]二、制備金屬納米顆粒焊膏
按照金屬納米顆粒的重量，稱取有機分散劑和表面活性劑，將三者充分混合，控制金屬納米顆粒、有機分散劑及表面活性劑的質(zhì)量比為80~85:2~5:10~18，利用超聲波振動加載在金屬納米顆粒上的外加載荷，保持超聲波振動5~10min使得金屬納米顆粒得以良好分散，最終得到金屬納米顆粒低溫?zé)Y(jié)復(fù)合焊膏。
[0009]三、脈沖電流低溫?zé)Y(jié)納米焊膏制備高溫服役納米晶接頭
利用絲網(wǎng)印刷的方法在金屬基板上制備一層50~100 μπι的金屬納米顆粒焊膏薄膜，將其加熱到80~100°C保持5~10min使有機分散劑充分揮發(fā)，之后利用雙脈沖低溫快速制備銅基板之間的高溫服役納米晶接頭，控制脈沖電流在100~1000A之間，持續(xù)時間在10ms~10s之間，壓力在1~10N之間。
[0010]本發(fā)明中，所述金屬鹽前驅(qū)體為硝酸銀、硫酸銅、氯化銅、氯化錫、氯金酸等中的一種或幾種的混合物。
[0011]本發(fā)明中，所述金屬納米顆粒為單質(zhì)金屬納米顆粒(如銅、銀、錫、金等)或多元金屬化合物顆粒(如銅銀核殼納米顆粒、銅金核殼納米顆粒、銅錫核殼納米顆粒以及銅錫化合物納米顆粒等)。
[0012]本發(fā)明中，所述表面活性劑為檸檬酸鈉或聚乙烯毗咯烷酮等，還原劑為水合肼、硼氫化鈉、乙二醇、檸檬酸或次磷酸氫鈉等，有機分散劑為乙二醇、二乙二醇或聚乙二醇等。
[0013]本發(fā)明中，金屬納米焊膏薄膜的制備方法采用加法加工，包括絲網(wǎng)印刷、噴墨打印等。
[0014]本發(fā)明中，基板材料為金屬，包括銅、銀、鎳等。
[0015]本發(fā)明中，納米顆粒之間的結(jié)合依靠主要依靠電迀移作用，同時不可忽略熱擴散，得到的納米晶接頭無孔洞，有機物充分降解，晶粒未發(fā)生粗化，因而具有良好熱導(dǎo)率和機械強度的接頭。
[0016]本發(fā)明采用脈沖電流方法替代傳統(tǒng)熱壓鍵合方法低溫?zé)Y(jié)納米焊膏制備高溫服役的納米晶接頭，解決了納米焊膏燒結(jié)時間長、晶粒粗化等問題，同時促進納米焊膏中長鏈有機物的降解，從而可用于加工電子封裝器件互連的納米焊膏中。納米顆粒在脈沖電流低溫?zé)Y(jié)過程，納米顆粒連接過程依賴于雙脈沖電流引起的電迀移和熱擴散的共同作用，由于時間較短，未發(fā)生粗化長大，納米顆粒外層的有機物薄膜在電流輔助下得以充分破裂降解，金屬納米顆?；蚪饘倩衔锛{米顆粒之間通過燒結(jié)頸形成可靠連接，從而改善接頭的導(dǎo)熱性質(zhì)和機械性質(zhì)，可用于功率器件和高頻器件中。
【附圖說明】
[0017]圖1為納米顆粒的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為三明治焊接結(jié)構(gòu)制備示意圖；
圖3為雙脈沖電流低溫?zé)Y(jié)制備高溫服役納米晶接頭示意圖；
圖4為電流作用下納米顆粒結(jié)構(gòu)演化示意圖；
圖中:1_金屬納米顆粒，2-有機包覆層，3-納米焊膏，4-掩膜版，5-金屬基板，6-絕緣體，7-電極。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0019]【具體實施方式】一:本實施方式按照以下步驟制備脈沖電流低溫?zé)Y(jié)后的銅單質(zhì)納米晶高溫服役焊點:
步驟一:將1 g K90型聚乙烯毗咯烷酮加入到盛有100 ml聚乙二醇的三角瓶中，加熱到160 °C并攪拌，直到聚乙烯毗咯烷酮完全溶解在聚乙二醇中，同時，將0.5 g的次磷酸氫鈉加入到上述溶液中，攪拌直到完全溶解；
步驟二:將1.5 g的硫酸銅加入到20 ml的水溶液中，攪拌使其完全溶解，之后，將硫酸銅水溶液滴加到含聚乙烯毗咯烷酮和次磷酸氫鈉的聚乙二醇溶液中，同時攪拌，溶液顏色由無色逐漸變?yōu)辄S色、橙色、灰色、黑色，并最終穩(wěn)定在紫紅色；
步驟三:滴加完畢后，持續(xù)攪拌2 h，之后經(jīng)過反復(fù)離心、清洗三次，得到如圖1所示的納米顆粒，金屬納米顆粒表面覆蓋一層有機物薄膜。之后，倒掉上層清夜，將剩余的銅納米顆粒放入真空箱中干燥一天；
步驟四:按質(zhì)量比8:2:1的比例稱取銅納米顆粒、分散劑和表面活性劑，將三者混合，超聲10分鐘使得顆粒充分分散，得到具有一定流動性和黏度的銅單質(zhì)納米焊膏；
步驟五:如圖2所示，用絲網(wǎng)印刷的方法，在銅基板上制備一層50 ym的納米焊膏層，加熱到60~100°C，保持5~10min，使得表面的有機物得以充分揮發(fā)，之后放上另外一塊銅基板組成銅/納米焊膏/銅的三明治結(jié)構(gòu)；
步驟六:如圖3所示，銅基板組成銅/納米焊膏/銅采用脈沖電流的低溫?zé)Y(jié)方法，具體工藝為脈沖電流在100~1000A之間，持續(xù)時間在10ms~10s之間，壓力在0~10N之間，脈沖電流低溫?zé)Y(jié)后，納米顆粒表面的有機包覆物得到充分的破裂、降解，如圖4所示。
[0020]【具體實施方式】二:本實施方式按照以下步驟制備脈沖電流低溫?zé)Y(jié)后的銀單質(zhì)納米晶高溫服役焊點:
步驟一:將0.98 g K30型聚乙烯毗咯烷酮加入到盛有115 ml乙二醇的三角瓶中，加熱到150 °C并攪拌，直到聚乙烯毗咯烷酮完全溶解在乙二醇中，同時，將1.08 g的硝酸銀加入到上述溶液中，攪拌直到完全溶解，并加入0.02g硝酸鐵；
步驟二:持續(xù)加熱2h之后得到青灰色溶液，加入100~120ml的丙酮，之后用乙醇反復(fù)離心清洗3~5次，之后倒掉上層清夜，將剩余的銀單質(zhì)納米顆粒放入真空烘干箱中，室溫下保持 12~24h ；
步驟三:按質(zhì)量比8:2:1的比例稱取銀單質(zhì)納米顆粒、分散劑和表面活性劑，將三者混合，超聲10分鐘使得顆粒充分分散，得到具有一定流動性和黏度的銀單質(zhì)納米焊膏；
步驟四:如圖2所示，用絲網(wǎng)印刷的方法，在鍍銀銅基