Ag层厚度对Cu@Ag纳米颗粒烧结行为的作用及其互连应用

发布时间：2020-03-26 17:17

【摘要】：随着电子科学技术的发展,电子元器件不断向小型化、轻型化发展,其低成本和高性能的需求也日益凸显。愈发恶劣的器件工作环境,例如高温、大电流和潮湿的环境,加之第三代宽禁带半导体如SiC和GaN的出现,使得芯片互连封装面临很大挑战。因此,加强新的封装材料和工艺的研究,对于耐高温、大功率器件发挥优良的性能具有非常重要的意义。本文将Cu的低成本和Ag的抗氧化性特点进行优势整合,通过置换与化学沉积复合的方法制备不同Ag层厚度的Cu@Ag纳米颗粒。通过控制分散剂PVP和还原剂NaH_2PO_2·H_2O的加入量,以及溶液滴加反应速度等关键工艺,分别制备出50 nm和100 nm的Cu纳米颗粒。采用50 nm的Cu纳米颗粒,通过控制Ag/Cu摩尔比制备不同Ag层厚度的Cu@Ag纳米颗粒。在Ag/Cu摩尔比为0.1和0.15时,制备出Ag层包覆完整的Cu@Ag纳米颗粒,且Ag层的厚度分别为3.14 nm和6.76nm。通过存储和老化实验测试,发现所制备的Cu@Ag纳米颗粒均表现出良好的抗氧化性。探究Ag层厚度对于Cu@Ag纳米颗粒烧结行为的影响。将两种Ag层厚度的Cu@Ag纳米颗粒分别制备成浆料,分别在180℃、200℃、220℃和240℃下进行烧结。研究发现,随着温度升高,烧结组织更加致密,且Ag层厚度对烧结组织的形貌和性能有很大影响;在同等烧结温度下,厚Ag层的Cu@Ag纳米颗粒烧结后的组织更加致密、性能更好,在240℃下所得烧结组织的孔隙率和电阻率分别为2.1%和15.31μΩ·cm,明显优于薄Ag层Cu@Ag纳米颗粒烧结后的孔隙率(8.4%)和电阻率(34.85μΩ·cm)。采用厚Ag层的Cu@Ag纳米颗粒用于芯片键合。在150℃、160℃和180℃下分别进行热压烧结和超声辅助烧结对比试验。研究发现,超声辅助烧结获得的接头组织更加致密,当烧结温度为180℃时,所获接头剪切强度为54.27 MPa,远高于同等温度热压烧结所获接头的剪切强度。超声施加产生的振动引起颗粒之间的摩擦造成接头内部温度急剧升高,促使Ag层在Cu核表面的反润湿烧结和Cu核的接触烧结长大,加速烧结过程,最终形成具有网络状Ag和大尺寸结晶Cu胞体分布结构的致密接头组织。因此,超声辅助烧结Cu@Ag纳米颗粒浆料在高温大功率器件互连封装中具有非常广泛的应用前景。
【图文】：

摩尔比,粉末,包铜

随着反应时间的增加，混合溶液由深红色变为紫色后变成深绿色。通过对制得的银包铜表征，如图1-1 所示，发现柠檬酸钠与银离子的摩尔比影响制备得到的银包铜中六角形粒子与球形粒子的比例，且对颗粒的尺寸大小产生影响。图 1-1 不同[SC]/[Ag]摩尔比的 Cu-Ag 粉末[39]a) 0/1；b) 0.07/1；c) 0.27/1；d) 1.09/1；e) 4.35/1Lee 等[40]通过简单的两步法制备单分散的 Cu@Ag NPs，如图 1-2 所示。首先通过热分解反应制备 Cu 颗粒，然后加入银源通过置换反应制得Cu:Ag=77.5:22.5（at. %），，平均粒径为 13.5 nm 的 Cu@Ag NPs。在正常环境

示意图,示意图,纳米颗粒,反润湿

图 1-2 Cu@Ag NPs 合成示意图[40]好的抗氧化性能，将制得的纳米颗粒应用于印刷电子的导电墨于 Cu 纳米颗粒导电墨水，同时作者还发现该材料也可较好的。Muzikansky 等[41]也是用相同的方法制得不同原子比的单Ps，发现不同温度范围老化过程中 Ag 层的生长形式会不同，，银通过置换反应包覆在 Cu 表面，在 50 ℃-120 ℃的范围内生长，银层变厚；当高于 120 ℃时，开始出现反润湿过程，银
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN605;TB383.1

【参考文献】