Ag-Cu-Ti/Sn纳米颗粒焊膏及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子封装材料技术领域，涉及一种Ag-Cu-Ti/Sn纳米颗粒焊膏及其制备方法，可用作满足宽禁带半导体SiC大功率器件低温连接、高温服役的电子封装互连材料。
【背景技术】
[0002]随着电力电子器件多功能化、高性能化、高密度化的要求，由于Si基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限，研宄人员从20世纪80年代开始把目光转向以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体器件。宽禁带半导体器件具有高击穿电场、高热导率、耐高温、抗辐射等优良特性，除普遍应用于汽车电子和军事武器系统外，还应用于航空航天、核能开发、石油地质勘探等严酷环境中，器件封装面临着高温(350°C以上)、大温度范围(-1OO0C -6000C)的工作条件，由于材料间热胀系数不匹配导致的界面热应力要大幅度增加，热失配就越严重，残余应力增大，对元件造成的损伤亦高；同时高温下材料原子的迀移速度也会加剧，由此导致的可靠性问题将非常突出。
[0003]目前的电子封装互连材料中，Sn基共晶焊料作为高温应用不合适，主要是熔点低(300°C以下)，导热率差；Au基焊料熔点低、成本高、脆性大；导电胶的导电性、导热性能差，300°C下有机成分会分解，导致失效；纳米Ag焊膏受到普遍关注，取得良好效果，但是其烧结后为多孔结构，虽然可以缓释应力，但纯纳米Ag有较强的电迀移性、化学迀移性，导致电路的短路或断路，而且价格昂贵。由于以上各种封装互连材料的局限性，尤其是温度上的限制，使SiC大功率器件的优良性能不能得到充分发挥，不能满足SiC器件高温可靠性要求。此外，为实现高温工艺还需更换设备、增加能源消耗，过高的成本会严重阻碍SiC大功率器件的推广应用。因此寻求一种能够实现低温连接、高温服役，成本较低、性能优良的互连材料，成为第三代半导体器件应用之路上亟待解决的问题。
[0004]由于纳米材料的尺寸效应，随着纳米金属粒度的下降，表面原子数急剧增加，导致纳米金属颗粒的熔点、烧结温度和晶化温度均比常规块体或粉末材料低得多。因此，利用纳米金属来实现不同材料之间的低温连接，成为纳米金属材料应用研宄的新领域。例如，常规Ag的恪点为960.5 °C，而纳米Ag粉末在低于100 °<^便开始恪化。然而，由于Ag恪点高，导致纳米Ag需要极小的直径才能使熔点或烧结温度降到需要的低温下，而AgCu合金熔点低于纯Ag约200°C，纳米AgCu合金的熔点及烧结温度达到需要的低温的颗粒尺度就大于纳米纯Ag，容易制造和保存，加入Cu可使Ag合金的迀移问题得到解决。此外，为了进一步降低熔点、降低连接工艺温度、提高可焊性，考虑在AgCu纳米混合颗粒中添加Ti或Sn纳米颗粒。Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏的制备及其在连接领域的应用在国内外鲜见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种能够进行低温连接、高温服役的Ag-Cu-Ti/Sn纳米颗粒焊膏及其制备方法，该焊膏通过以Ag、Cu以及Ti/Sn纳米颗粒为固体成分得到任意配比的焊膏，利用纳米材料的尺寸效应，实现低于块体及非纳米级材料熔点温度的芯片与基板的互连过程，充分发挥宽禁带半导体器件耐高温等优良特性，实现降低生产成本、满足高温可靠性。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏，按照质量百分比由纳米颗粒固体成分80~90%，修饰剂10~20%制成，其中:修饰剂按照质量比由分散剂2~8、粘结剂2~8、稀释剂2~10、助焊剂2~10组成；纳米颗粒固体成分由A:Ag、B:Cu、C:Ti或Sn混合而成，Cu占纳米颗粒固体成分总质量的20~50%，Ti或Sn占纳米颗粒固体成分的0~20%。
[0007]将以上材料均匀混合可以制备成任意成分配比可控的无铅纳米金属颗粒焊膏，如图1所不，具体制备步骤如下:
步骤一、称取A:Ag、B:Cu、C:Ti或Sn纳米粉。其中:A:Ag、B:Cu、C:Ti或Sn纳米粉粒径可在20~80nm范围内选择，Cu纳米粉占纳米粉总质量的20~50%，为了进一步降低恪点、提高可焊性，可添加0~20%的Ti或Sn纳米颗粒；
步骤二、依次加入分散剂、粘结剂、稀释剂、助焊剂，其中:分散剂可在鱼油、硬脂酸、三乙基已基磷酸、甲基戊醇、聚丙烯酰胺等中选择其一，用于均匀分散纳米金属颗粒；粘结剂可为松油醇，用于保持聚合物的稳定；稀释剂可在酒精和萜品醇等中选择其一或混合使用，用于改善纳米焊膏的流动性和印刷性；助焊剂为松香，用于去除氧化膜和改善润湿性；步骤三、利用磁力搅拌、超声波震荡等方法将上述体系在醇类、酮类等有机溶剂中均匀一致地混合，再将多于溶剂挥发出去，制成Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏，其中固体含量在80~90wt.% 范围内；
步骤四、将制备得到的Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏放入针管中密封保存，保存温度为O?10。。。
[0008]本发明的有益效果是:
(1)本发明制备得到的Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏，Ag、Cu、Ti/Sn纳米颗粒的尺寸可任意选择，质量百分比可控，经过测试分析发现纳米金属颗粒分散性较好，极少团聚现象发生；
(2)本发明制备得到任意成分配比的Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏应用于宽禁带半导体器件封装中，可以实现低于Ag-Cu-Ti/Sn块体或非纳米级材料熔点温度下的芯片键合，使用Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏进行芯片与Cu基板(镀Ag)的连接，经过测试抗剪切强度在30~50MPa范围内，而且显示出了良好的抗Ag迀移、温度冲击、抗老化等高温可靠性；
(3)本发明利用Ag、Cu、Ti/Sn纳米颗粒制备Ag-Cu-Ti/Sn纳米焊膏的方法具有任意成分配比可控、工艺简单、成本较低等优点。
【附图说明】
[0009]图1为本发明的流程示意图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0011]【具体实施方式】一:本实施方式提供了一种制备72Ag-28Cu共晶纳米焊膏的方法，具体按照以下步骤实施:
称取一定质量的Ag、Cu纳米粉，二者的质量百分比分别为72%、28%，选择Ag、Cu纳米粉粒径分别是30± 10nm、50± 10nm，将称量好的Ag、Cu两种纳米粉末混合；按照质量比5:5:5:5依次加入分散剂聚丙烯酰胺、粘结剂松油醇、稀释剂酒精和萜品醇(酒精和萜品醇混合使用可按1:1的比例)、助焊剂松香，使修饰剂体系占整体质量百分比为20%;利用超声波震荡的方法将上述体系均匀在丙酮溶剂中一致地混合，再将多于溶剂挥发出去，制成72Ag-28Cu纳米焊膏，其中固体含量在80%以上；将制备得到的72Ag_28Cu纳米焊膏放入针管中密封保存，保存温度为O?10°C。
[0012]本实施方式制备得到的72Ag_28Cu共晶纳米焊膏，经过测试分析发现纳米金属颗粒分散性较好，极少团聚现象发生；应用于宽禁带半导体器件封装中，可以实现SiC芯片与Cu基板(镀Ag)在350°C的低温连接(烧结)，经过测试抗剪切强度达到50 MPa,而且显示出了良好