铜银核壳纳米颗粒焊膏制备及低温烧结机理

摘要

高频、大功率SiC器件的迅猛发展引发了人们对用于键合芯片与基板的中高温连接材料的关注，然而传统键合工艺中过高的峰值温度不能满足热敏感器件的要求。近十几年来，研究学者尝试利用纳米材料的尺寸效应来实现“低温键合”，即当材料尺寸降低到纳米尺度时其烧结温度将会大幅度下降，同时纳米材料低温键合之后失去纳米尺寸效应，将能够满足“高温使用”的要求。然而目前报道的银（Ag）纳米颗粒焊膏存在高成本和电、离子迁移的缺点，铜（Cu）纳米颗粒焊膏存在易氧化和苛刻的键合工艺的缺点，因此十分有必要研究成本低、可靠性高、键合工艺简便可行的纳米焊膏。
　　本文首先通过液相化学合成的方法制备Cu纳米颗粒和铜银（Cu@Ag）核壳纳米颗粒，并通过改变其生长工艺调控产物的形貌，进而分析其生长机理；分别对两种纳米颗粒进行TEM原位加热试验，研究两种纳米颗粒在低温键合中的连接机理；之后将两种纳米颗粒分别与有机溶剂混合得到两种纳米焊膏，利用模板印刷的方法制备铜基板/纳米焊膏/铜基板的三明治结构，从而研究不同热压烧结工艺下的键合强度以及截面微结构特征，得到两种纳米焊膏的低温键合机理。
　　研究结果表明：Cu纳米颗粒的均径为57.5 nm，极易氧化；Cu@Ag核壳纳米颗粒由内部的Cu纳米颗粒以及其表面完整包覆一层均匀的Ag纳米颗粒组成，其中Ag纳米颗粒的尺寸可控，且直径均在10 nm之内，具有抑制Cu@Ag核壳纳米颗粒氧化的作用。Cu@Ag核壳纳米颗粒和Cu纳米颗粒的TEM原位烧结实验对比结果表明：Cu@Ag核壳纳米颗粒的烧结开始温度要比Cu纳米颗粒的烧结开始温度低70℃左右，低温烧结过程中小尺寸的Ag纳米颗粒促进Cu@Ag核壳纳米颗粒的连接，首先通过预熔化形成准液态膜，在Cu纳米颗粒表面润湿铺展，之后形成Ag烧结颈得到网状互连结构，而Cu纳米颗粒低温加热下变化不明显，即使加热到400℃左右时其烧结程度依旧很微弱。铜基板/纳米焊膏/铜基板的三明治结构低温烧结后，焊点的剪切强度受到纳米颗粒的种类和纳米焊膏中纳米颗粒的均匀性的影响，相同热压烧结工艺下得到的Cu@Ag核壳纳米颗粒焊膏与铜基板焊点的剪切强度要远远高于Cu纳米颗粒焊膏与铜基板焊点的剪切强度，例如250℃下两者分别为26.5MPa和7.2MPa，分散性不佳的纳米焊膏与铜基板键合后直接开裂；烧结后，铜基板/Cu@Ag核壳纳米颗粒焊膏/铜基板三明治结构中Cu@Ag核壳纳米颗粒焊膏和铜基板的界面以及纳米焊膏内部的孔隙率要低于相同工艺下的铜基板/Cu纳米颗粒焊膏/铜基板三明治结构，其主要原因为Cu@Ag核壳纳米颗粒中存在两种尺寸分布的颗粒，起到了相互填充空隙的作用。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景来源

1.2研究目的与意义

1.3国内外的研究现状

1.4本文的主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1实验过程概述

2.2实验材料及设备

2.3试样制备及实验方法

第3章 纳米颗粒的合成及表征

3.1 Cu纳米颗粒的合成及表征

3.2 Cu@Ag核壳纳米颗粒的合成及表征

3.3本章小结

第4章 TEM观测纳米颗粒原位加热下的演化过程

4.1 Cu纳米颗粒的原位加热实验

4.2 Cu@Ag核壳纳米颗粒的原位加热实验

4.3本章小结

第5章 纳米焊膏低温键合机理研究

5.1纳米焊膏性能表征

5.2纳米焊膏低温键合铜基板

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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致谢