一种Ag-Cu@Pd钎料预制片及其制备方法和应用

本发明属于电子封装微互联，具体涉及一种用于低温连接、高温服役的ag-cu@pd钎料预制片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着第三代功率半导体碳化硅(sic)和氮化镓(gan)的功率器件的应用发展，开发耐高温高压的功率封装互连材料成为近年来研究的重要课题。烧结银浆料是目前应用最广泛的低温烧结、高温服役的封装材料，但烧结银浆料存在烧结致密度低、存在电迁移、难以实现大面积烧结的问题。烧结铜浆料因其良好的导热导电性、低廉的价格、优异的抗电迁移特性，也成为新的研究热点，但铜易氧化、烧结难度大于银浆料。通过结合银、铜浆料的优势，制备出铜银核壳复合浆料，可以满足提高银抗迁移性以及增强铜抗氧化性的要求。

2、这类复合浆料仍存在烧结过程中有机物气体的排出造成孔隙率升高，服役阶段银壳破碎使得铜核出现大量氧化，从而降低烧结接头高温可靠性的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺点，本发明提供了一种ag-cu@pd钎料预制片的互连工艺，pd元素的加入可以显著提高cu的高温抗氧化性、改善ag的电迁移和离子迁移、提高焊接接头的高温可靠性。此外，预制片易于制成特定形状和尺寸，方便拾取和快速放置，避免了传统浆料烧结过程中有机物挥发造成的孔隙率升高，显示出优异的结合强度。

2、为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种ag-cu@pd钎料预制片，所述ag-cu@pd钎料预制片由微米cu@pd核壳颗粒和纳米ag颗粒组成，所述微米cu@pd核壳颗粒与纳米ag颗粒的质量百分比为65％～80％:20％～35％。

4、进一步的，所述ag颗粒的直径为100～200nm，微米cu@pd核壳颗粒的具体结构为：直径在10nm以内的钯纳米颗粒均匀完整的包覆在直径为15～25μm的铜颗粒表面。

5、进一步的，所述ag-cu@pd钎料预制片的厚度为120～300μm。

6、进一步的，所述微米cu@pd核壳颗粒的制备方法为：将前驱体na2pdcl4水溶液加入至微米cu颗粒的分散体系中，缓慢滴加还原剂溶液，钯离子附着在微米cu表面发生氧化还原反应，形成微米cu@pd核壳颗粒溶液，干燥处理得到微米cu@pd核壳颗粒。

7、一种所述的ag-cu@pd钎料预制片的制备方法，包括以下步骤：将干燥的纳米ag颗粒和微米cu@pd核壳颗粒混合均匀得到混合粉体；通过加压或者加热加压的方式，将混合粉体制备成ag-cu@pd钎料预制片。

8、进一步的，施加的压力为3～10mpa，保压时间为5～15min。

9、进一步的，施加温度为23～200℃。

10、一种所述的ag-cu@pd钎料预制片的应用，包括以下步骤：

11、s1、在金属基底ⅰ的表面放置ag-cu@pd钎料预制片，在ag-cu@pd钎料预制片的表面放置金属基底ⅱ，装配成金属基底ⅰ/钎料预制片/金属基底ⅱ的三明治结构；所述金属基底ⅰ和金属基底ⅱ的金属材料均包括cu、ni和au中的一种或多种的层叠组合；三明治结构中金属基底ⅰ和金属基底ⅱ的金属材料相同或不同；

12、s2、对装配好的样品进行烧结，得到互连结构。

13、进一步的，s2中，将装配好的样品放置在电磁感应加热设备中，进行快速烧结，加热的功率为2.2～3.0kw，烧结时间为10～90s，施加压力为0～15mpa。

14、进一步的，s2中，将装配好的样品放置在热压机中，采用双侧加热，加速速率为5～10℃/min，施加压力为5～15mpa，加热温度为300～400℃，加热时间为30～90min。

15、优选的，在cu基板的表面化学镀覆一层ni作为金属基底ⅰ和金属基底ⅱ，ni层厚度为3～6μm，在金属基底ⅰ和金属基底ⅱ之间放置ag-cu@pd钎料预制片，装配成cu/ni/钎料预制片/ni/cu的三明治结构。

16、优选的，在cu基板上化学镀覆ni层，在ni层上镀覆au层作为金属基底ⅰ和金属基底ⅱ，ni层厚度为3～6μm，au层厚度为1～3μm，在金属基底ⅰ和金属基底ⅱ之间放置ag-cu@pd钎料预制片，装配成cu/ni/au/钎料预制片/au/ni/cu的三明治结构。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1、pd的加入可以改善ag的电迁移和离子迁移问题，pd与cu易于形成核壳结构，烧结过程中钯壳始终保持与cu核的良好连接，解决了cu@ag颗粒热压烧结后ag壳从cu核表面开裂脱落的问题，提高cu核的高温抗氧化性，可以改善烧结接头的高温可靠性，满足功率封装材料耐高温的要求。

19、2、纳米ag可以发生预烧结，相互接触形成预制片骨架，在烧结过程中避免有机物的挥发从而降低孔隙率，同时实现良好的合金连接。

20、3、pd与ag、cu均可形成连续的固溶体，在高频感应快速烧结或热压烧结条件下可以实现良好的互扩散，从而得到性能较好的合金接头。

21、4、与传统焊膏相比，钎料预制片方便拾取和快速放置，可以在不增加有机溶剂的同时，增加合金量使得焊点强化。

技术特征：

1.一种ag-cu@pd钎料预制片，其特征在于：所述ag-cu@pd钎料预制片由微米cu@pd核壳颗粒和纳米ag颗粒组成，所述微米cu@pd核壳颗粒与纳米ag颗粒的质量百分比为65％～80％:20％～35％。

2.根据权利要求1所述的ag-cu@pd钎料预制片，其特征在于：所述ag颗粒的直径为100～200nm，微米cu@pd核壳颗粒的具体结构为：直径在10nm以内的钯纳米颗粒均匀完整的包覆在直径为15～25μm的铜颗粒表面。

3.根据权利要求1所述的ag-cu@pd钎料预制片，其特征在于：所述ag-cu@pd钎料预制片的厚度为120～300μm。

4.根据权利要求1所述的ag-cu@pd钎料预制片，其特征在于，所述微米

5.一种权利要求1-4任一权利要求所述的ag-cu@pd钎料预制片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将干燥的纳米ag颗粒和微米cu@pd核壳颗粒混合均匀得到混合粉体；通过加压或者加热加压的方式，将混合粉体制备成ag-cu@pd钎料预制片。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：施加的压力为3～10mpa，保压时间为5～15min。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：施加温度为23～200℃。

8.一种权利要求1-4任一权利要求所述的ag-cu@pd钎料预制片的应用，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：s2中，将装配好的样品放置在电磁感应加热设备中，进行快速烧结，加热的功率为2.2～3.0kw，烧结时间为10～90s，施加压力为0～15mpa。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：s2中，将装配好的样品放置在热压机中，采用双侧加热，加速速率为5～10℃/min，施加压力为5～15mpa，加热温度为300～400℃，加热时间为30～90min。

技术总结
一种Ag‑Cu@Pd钎料预制片及其制备方法和应用，属于电子封装微互联技术领域，所述Ag‑Cu@Pd钎料预制片由微米Cu@Pd核壳颗粒和纳米Ag颗粒组成，不含其他组分，所述微米Cu@Pd核壳颗粒与纳米Ag颗粒的质量百分比为65％～80％:20％～35％。本发明将Ag‑Cu@Pd钎料制成预制片，Pd元素的加入可以显著提高Cu的高温抗氧化性，改善Ag的电迁移和离子迁移问题。此外，预制片避免了有机物溶剂挥发过程造成的孔隙率升高，增加合金量使得焊点强化。预制片易于制成特定形状和尺寸，方便拾取和快速放置，在低温低压条件下实现芯片与基板互连，可以在产业化大批量生产中发挥巨大优势。

技术研发人员：刘威,陈开洁,安荣,温志成,杭春进,郑振,田艳红
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21