铜纳米颗粒合成及其低温烧结互连行为研究

【摘要】：由于纳米材料的尺寸效应,铜纳米颗粒的熔点将随着纳米颗粒尺寸的减小而降低,从而能够在远低于块体铜熔点的温度下烧结成型。同时,铜纳米颗粒经烧结成型后又能够在较高温度下长期稳定工作,很好地满足“低温成型,高温服役”的需求。近年来,许多研究者试图将铜纳米颗粒用作导电油墨的主体材料及大功率高温服役器件的互连材料。然而,由于铜纳米颗粒极易氧化,目前的研究中均存在若干不足,如烧结温度过高、烧结时间过长、烧结压力过大、烧结体性能较差以及烧结环境具有腐蚀性等,这些缺陷很大程度上限制了铜纳米颗粒在电子封装领域内的应用。因此,为了解决由铜纳米颗粒氧化引起的一系列问题,本文提出了一种利用甲酸去除铜纳米颗粒表面氧化物的方法来实现铜纳米颗粒的低温烧结,并研究了甲酸处理对铜纳米颗粒烧结行为的影响。本文通过优化铜纳米颗粒的表面成分,降低了铜纳米颗粒的烧结温度,提高了铜纳米颗粒烧结试样的导电性。本文还探究了压力辅助下铜纳米颗粒的烧结行为,获得了高强度的高温服役大功率器件连接接头。本文提出了一种利用甲酸处理去除铜纳米颗粒表面氧化物的方法,表面成分分析表明铜纳米颗粒表面氧化物被甲酸处理完全去除,新生成的甲酸盐能够在较低温度下分解。铜纳米颗粒的热分析表明经甲酸处理后,铜纳米颗粒的烧结温度从260℃降低至160℃。同时,铜纳米颗粒热分析曲线上的放热峰被证实为烧结峰。甲酸处理的时间对铜纳米颗粒的烧结行为有着显著影响,长时间甲酸处理的铜纳米颗粒成短程烧结结构,而短时间甲酸处理的铜纳米颗粒成长程烧结结构。本文研制了一种可低温烧结、具有高导电性的甲酸处理铜纳米颗粒导电油墨。该导电油墨经260℃烧结60 min后的烧结薄膜电阻率为6.12μΩ·cm,仅为原始铜纳米颗粒导电油墨烧结薄膜电阻率的三分之一。实验结果表明,甲酸处理铜纳米颗粒导电油墨具有较好的导电性是由低孔隙、连续性好的烧结组织决定的,烧结薄膜中无氧化物残留也是获得优异导电性的原因之一。此外,本文通过对铜纳米颗粒烧结过程的原位观察,讨论了铜纳米颗粒间的低温烧结互连机理。本文研究了铜纳米颗粒膏的压力辅助烧结行为及其低温烧结互连工艺与连接接头性能。实验结果表明,甲酸处理铜纳米颗粒膏的性能始终优于原始铜纳米颗粒膏。其中,甲酸处理铜纳米颗粒膏经260℃烧结5 min后的烧结薄膜电阻率为5.65μΩ·cm,而原始铜纳米颗粒膏烧结薄膜的电阻率为28.70μΩ·cm。此时,甲酸处理铜纳米颗粒膏连接接头的剪切强度为43.41 MPa,原始铜纳米颗粒膏连接接头的剪切强度仅为23.92 MPa,本文提出的甲酸处理铜纳米颗粒膏具有重要的实际工业应用意义。此外,铜纳米颗粒膏烧结体内存在高密度的共格孪晶,这是烧结连接接头拥有高剪切强度和高导电性的主要原因之一。透射电镜分析证明铜纳米颗粒烧结层与铜焊盘间的结合为冶金接合。基于连接接头的微观结构,结合金属纳米颗粒与铜焊盘烧结的“球-板模型”,得出烧结脉络与铜焊盘间的钝角接触更有利于连接接头力学性能提升的结论。