一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料及其制备方法和应用

摘要

一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料及其制备方法和应用。本发明属于功率半导体封装铜浆料及其制备领域。本发明的目的是为了解决现有铜烧结浆料易氧化的技术问题。本发明的自还原型铜烧结浆料按质量分数由表面包覆铜氧化物的铜粉、烧结助剂、还原剂和余量有机溶剂制备而成。本发明的浆料的制备：将表面包覆铜氧化物的铜粉、烧结助剂、还原剂和有机溶剂按比例混合，然后进行二级分散研磨，再检测细度，得到浆料。本发明利用表面氧化处理的铜粉与还原剂和烧结助剂的共同作用，改善铜基浆料易氧化的问题，同时提高铜的利用率，烧结后的互连接头具有较高的力学性能。

权利要求

1.一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料的制备方法，其特征在于，所述浆料按质量分数由60‑80％表面包覆铜氧化物的铜粉、5‑10％烧结助剂、1‑15％还原剂和余量有机溶剂制备而成，表面包覆铜氧化物的铜粉粒径为0.7‑10μm，烧结助剂为甲酸铜、醋酸铜、草酸铜、硬脂酸铜中的一种或几种的混合，铜粉形貌为球状、片状的混合，其中球状铜粉与片状铜粉质量比为3：7；所述表面氧化处理方法具体是：在空气环境下，将铜粉于60‑150℃下氧化0.5‑3h；

所述制备方法按以下步骤进行：将表面包覆铜氧化物的铜粉、烧结助剂、还原剂和有机溶剂按比例混合，然后进行二级分散研磨，再检测细度，得到用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料。

2.根据权利要求1所述的用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料的制备方法，其特征在于，还原剂为抗坏血酸、葡萄糖中的一种或几种的混合。

3.根据权利要求1所述的用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料的制备方法，其特征在于，有机溶剂为松油醇、石油醚、异丙醇、乙二醇单丁醚、醋酸乙酯中的一种或几种的混合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用刮板细度计测试的分散度为2.5‑5μm。

5.权利要求1‑4任一项所述的方法制得的用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料的应用。

说明书

一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料及其制备方

法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于功率半导体封装铜浆料及其制备领域，具体涉及一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 随着第三代半导体与功率器件的快速发展趋势，用于传统贴片、电气互连的无铅焊料及导电银胶已经无法承受器件工作功率的进一步增加及服役温度的进一步提升。金属铜具有优异的导电、导热特性，可承载更高的电流，是被广泛认可的高性能互连材料，并且其高熔点也使得金属铜互连结构可满足功率器件的高温服役要求。然而铜的抗氧化性难以保证，影响了其低温烧结性能与存储、使用的可靠性。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了解决现有铜烧结浆料易氧化的技术问题，而提供了一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料及其制备方法和应用。

[0004] 本发明的目的之一是提供一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料按质量分数由60‑80％表面包覆铜氧化物的铜粉、5‑10％烧结助剂、1‑15％还原剂和余量有机溶剂制备而成。

[0005] 进一步限定，表面包覆铜氧化物的铜粉粒径为0.7‑10μm。

[0006] 进一步限定，烧结助剂为甲酸铜、醋酸铜、草酸铜、硬脂酸铜中的一种或几种按任意比的混合。

[0007] 进一步限定，所述还原剂为抗坏血酸、葡萄糖中的一种或几种按任意比的混合。

[0008] 进一步限定，所述有机溶剂为松油醇、石油醚、异丙醇、乙二醇单丁醚、醋酸乙酯中的一种或几种按任意比的混合。

[0009] 本发明的目的之二是提供一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料中表面包覆铜氧化物的铜粉的表面氧化处理方法，所述表面氧化处理方法具体是：在空气环境下，将铜粉于60‑150℃下氧化0.5‑3h，完成表面氧化处理，得到表面包覆铜氧化物的铜粉。

[0010] 进一步限定，铜粉形貌为球状、片状状、树枝状中的一种或几种按任意比的混合。

[0011] 本发明的目的之三是提供一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料的制备方法，所述制备方法按以下步骤进行：

[0012] 将表面包覆铜氧化物的铜粉、烧结助剂、还原剂和有机溶剂按比例混合，然后进行二级分散研磨，再检测细度，得到用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料。

[0013] 进一步限定，利用刮板细度计测试的分散度为2.5‑5μm。

[0014] 本发明的目的之三四是提供一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料的应用。

[0015] 本发明与现有技术相比具有的显著效果：

[0016] 本发明利用表面氧化处理的铜粉与还原剂和烧结助剂的共同作用，改善铜基浆料易氧化的问题，同时提高铜的利用率，烧结后的互连接头具有较高的力学性能，具体优点如下：

[0017] 1)本发明通过采用铜表面氧化处理的方法，使得铜粉保存变得简单，即使对在空气下已经表面氧化的铜粉也可以充分利用，提高了铜粉的利用效率，减少铜粉的预处理过程，节约成本，除此之外，更重要的是通过预先把铜氧化，使得在微米铜表面包覆一层微凸起的氧化铜，促进微米铜烧结连接，提高烧结性能。

[0018] 2)本发明通过在铜烧结膏中引入铜的弱酸盐作为烧结助剂，降低铜膏的烧结温度，提高铜膏烧结组织的致密性，铜弱酸盐的引入可以在烧结过程中使铜弱酸盐分解为铜纳米晶，促进铜颗粒之间的连接。

[0019] 3)本发明通过采用表面氧化处理的铜粉作为铜烧结膏中金属粉的组成部分，在引入还原剂作用下使得铜表面的氧化物还原为纳米晶，在烧结的压力和温度作用下纳米之间发生原子扩散和塑性变形从而使铜纳米晶之间连接形成完整整体，进而使得烧结组织致密，提高烧结接头强度。

附图说明

[0020] 图1为实施例步骤1得到的表面包覆铜氧化物的铜粉的表征图；a‑表面形貌扫描电镜图，b‑XRD图；

[0021] 图2为本发明的自还原型铜烧结浆料的烧结机制原理示意图；

[0022] 图3为采用实施例和对比例的浆料制作的互连接头的强度对比图；

[0023] 图4为采用实施例和对比例的浆料制作的试样的导热性能对比图；

[0024] 图5为采用实施例和对比例的浆料制作的试样的电阻率对比图。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0026] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

[0027] 下述实施例中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

[0028] 当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。

[0029] 本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。

[0030] 实施例：本实施例的一种用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料的制备方法按以下步骤进行：

[0031] 步骤1、铜粉表面氧化处理：

[0032] 在空气环境下，将铜粉于90℃下氧化0.5h，所述铜粉形貌为球状、片状的混合，其中球状铜粉与片状铜粉质量比为3：7，完成表面氧化处理，得到表面包覆铜氧化物的铜粉，所得表面包覆铜氧化物的铜粉的表面形貌SEM图和XRD图如图1所示。

[0033] 步骤2、称料：

[0034] 按质量分数称取80％表面包覆铜氧化物的铜粉、6％烧结助剂、4％还原剂和余量有机溶剂，其中表面包覆铜氧化物的铜粉粒径为0.7‑10μm。

[0035] 步骤3、浆料的制备：

[0036] 将表面包覆铜氧化物的铜粉、烧结助剂、还原剂和有机溶剂按比例混合，然后进行二级分散研磨，再检测细度，利用刮板细度计测试的分散度为5μm，得到用于功率半导体封装的自还原型铜烧结浆料。

[0037] 对比例：本对比例与实施例不同的是：采用表面没有氧化的纯铜替换表面包覆铜氧化物的铜粉。其他步骤和参数与实施例相同。

[0038] 应用例1：将实施例以及对比例的铜浆料用于功率半导体封装互连，具体过程如下：

[0039] 将实施例和对比例的铜浆料通过钢网印刷法印制在陶瓷覆铜基板上，钢网开孔参数为2mm*2mm*100μm，印刷后在氮气氛围中进行烘干，烘干参数为80℃/40min，烘干后在浆料层表面贴装背银硅片，然后在烧结条件为：250℃、20MPa、10min下进行烧结，完成芯片与基板的互连形成互连接头。烧结机制原理示意图如图2所示。

[0040] 检测试验：

[0041] (一)对应用例1制作的互连接头的平均剪切强度进行检测，具体过程如下：

[0042] 剪切测试：使用推拉力测试机对应用例1制作的互连接头进行剪切测试，剪切高度为15μm、剪切速度为30μm/min，记录剪切强度数据。

[0043] 测试结果如图3所示，从图3可以看到，实施例的平均剪切强度为68.98MPa，对比例的平均剪切强度分别为35.03MPa，采用本实施例的低温烧结铜浆料的互连接头平均强度远高于对比例。

[0044] (二)对实施例和对比例的烧结铜浆料制作的导热试样进行导热性能的测定：

[0045] (1)导热试样的制备，烧结标准试样使用专用模具，将实施例和对比例所采用的铜浆料印刷至陶瓷基板表面，印刷后在氮气氛围中进行烘干，烘干参数为80℃/40min，烘干后在浆料层表面贴装背银硅片，然后在烧结条件为：250℃、20MPa、10min下进行烧结，得到直径为12.5mm、厚度1mm的圆形片状导热试样。

[0046] (2)热扩散测试：将实施例和对比例的导热试样放置在导热测试平台，在设定的温度25℃(由炉体控制的恒温条件)下，在氮气保护的气氛由氙激光在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收能量后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端(上表面)传播。使用红外检测器连续测量样品上表面的相应温升过程以测得试样的热扩散速率，并和标准试样对比以得到测试试样的比热大小。

[0047] (3)试样密度测试：采用阿基米德法测试实施例和对比例试样的密度。

[0048] (4)试样导热性能的表示：导热性能为试样比热、密度和热扩散速率的乘积，实施例和对比例的导热测试结果如图4所示，导热系数的计算公式如下：

[0049] λT＝CT*αT*ρ

[0050] 其中，C为试样比热大小，α为试样的热扩散速率大小，ρ为试样密度。

[0051] 由图4可以看出，实施例的平均导热系数为152.5W/(m·K)，对比例的平均导热系数为78.75W/(m·K)，采用本实施例的烧结铜浆料烧结层的导热系数远高于对比例。

[0052] (三)、对实施例和对比例的烧结铜浆料制备的电阻率测试试样的测定：

[0053] (1)导电试样的制备，导电试样的制备使用专用模具，将实施例和对比例所采用的铜浆料印刷至陶瓷基板表面，印刷后在氮气氛围中进行烘干，烘干参数为80℃/40min，烘干后在浆料层表面贴装背银硅片，然后在烧结条件为：250℃、20MPa、10min下进行烧结，得到直径为10mm、厚度1mm的圆形片状导电试样。

[0054] (2)电阻率测试：将实施例和对比例的导电试样通过四探针法测试电阻大小，然后根据公式计算试样的体积电阻率，实施例和对比例的测试结果如图5，电阻计算公式如下：

[0055]

[0056] 式中：ρ为试样体积电阻率，l为探针距离，U为测得的电势差，I为测得的电流，F为修正系数，根据试样厚度h、直径D和探针间距l从仪器的修正系数表查询。

[0057] 由图5可以看出，实施例的平均电阻率为0.012mΩ·cm，对比例的平均电阻率为0.04mΩ·cm，采用本实施例的烧结铜浆料烧结层的电阻率远低于对比例。

[0058] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。