纳米银/铜的可控制备、低温烧结及其在微电子封装中的互连应用
发布时间：2021-08-04 09:01
随着碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代功率半导体器件的快速发展,传统的芯片贴装互连材料很难满足其高温工作的条件,急需寻找新的替代材料。而金属纳米材料由于自身的尺寸效应,金属纳米颗粒的熔点随着纳米颗粒尺寸的减小而降低,从而能够在远低于块体熔点的温度下烧结成型。同时,纳米材料经烧结后又能在较高温度下长期稳定工作,很好地满足了“低温烧结,高温服役”的需求,是理想的芯片互连材料。在金属纳米颗粒中,银和铜纳米颗粒的烧结受到了广泛的关注。银在金属材料中拥有着最高的导电性能并且具有优异的导热性能,在空气中不容易被氧化,有利于运输和存储。铜拥有着和银相同级别的导电性能和导热性能,并且价格比银便宜很多。但是,铜纳米颗粒在空气中容易被氧化而在表面生成氧化铜,会增加所需的烧结温度并增加电阻率。本论文的主要研究内容如下:（1）树枝状银微纳米材料的制备及烧结性能的研究银基导电焊料是一种新型的芯片互连材料。本章研究了树枝状Ag的合成及其作为功率半导体低温互连材料的应用。使用硝酸银作为银的前驱体,铜箔作为还原剂,在十分温和的条件下合成得到尺寸形貌稳定的树枝状银,将其和二乙二醇单乙醚醋酸酯溶液混合配成焊膏,适...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
在矩形毛细管中收集的微乳滴中纳米颗粒生长的光学显微镜图像[37]
第一章绪论7图1.3球-球模型的示意图[54]Figure1.3Schematicdiagramofthesphere-to-spheremodel[54]（半径为x）[54]。随后，颈部开始通过不同的材料传输机制成长，该机制包括在烧结过程中的体积扩散，晶界扩散，表面扩散[49,51]。不同烧结机理的烧结方程一般可以如下表示[51]：(+)=…(1.1)其中，x/r是颈部半径与粒子半径的比率。B是取决于颗粒尺寸，温度以及几何和材料项的常数。t是烧结时间，n是取决于传质过程的机理特征指数（粘流：n=2；体积扩散：n=4-5；晶界扩散：n=6；表面扩散：n=7）。Lu[9,18,55]等人是在纳米粒子烧结领域进行研究的开拓者。他们利用平均直径为30nm的商业销售的银颗粒来制备纳米银焊料，然后在一定的外部压力下，在234℃的温度下烧结60分钟可以实现SiC芯片之间的互连，接头的剪切强度为17-40MPa。通常可以通过延长样品的烧结时间，提高样品的烧结温度和施加外部压力来提高焊接接头的机械性能，这可能会阻碍纳米金属焊料的应用。因此，需要开发新的工艺，缩短烧结时间，简化烧结工艺并提高焊接接头的机械性能。最近，各国的科研工作者已经对纳米金属颗粒的快速烧结工艺进行了广泛的研究[56-58]。最近，Hirose[59]等人和Toshiaki[60]等人提出了一种通过与Ag2O微粒反应来原位生长银纳米颗粒的金属-金属烧结过程。在烧结过程中，通过Ag2O颗粒与三甘醇（TEG）之间的反应实现了银纳米颗粒的原位生长，这样的合成方式可以减少有
纳米银/铜的可控制备、低温烧结及其在微电子封装互连中的应用8图1.4在不同的烧结温度和5MPa的压力下，使用Ag2O焊料的Cu/Ni/Au-Cu/Ni/Au接头的烧结参数与拉伸强度之间的关系[59]Figure1.4RelationshipbetweenbondingparametersandtensilestrengthoftheCu/Ni/Au-to-Cu/Ni/AujointbondedusingtheAg2Opasteatvariousbondingtemperatureswithapressureof5MPa[59]机载体对纳米银粒子制备和烧结过程中的影响。实验表明，纳米银颗粒的烧结温度可以明显降低至200℃左右。此外，微米尺寸的Ag2O颗粒的成本比商业化的Ag纳米颗粒的成本更低。简而言之，该工艺不仅可以降低成本，还可以降低银纳米颗粒的烧结温度[59,61]。为了减少Ag离子在烧结过程中的电迁移，可以将Cu颗粒或包覆有Ag的Cu颗粒添加到混合浆料中[62-65]。如图1.3所示，微米尺寸的Ag2O浆料已经成功地用于低温烧结工艺中，可以用于镀银的铜块之间的连接，并且烧结时间可以控制在1分钟内。火花等离子体烧结（SPS）是近年来发展起来的一种快速烧结技术[66-68]，该技术具有许多非凡的优势，例如加热速度快（最高500℃/min）和烧结时间（30–300℃，300s）短[69-73]。此外，SPS还具有操作简单，可重复性高，节省空间，节省能源和成本低的优点[71,74]。另外，在SPS工艺中施加压力，可以增加金属纳米颗粒之间接触，从而在烧结过程中加速晶界扩散，晶格扩散[75]。与传统的热压烧结相比，激光烧结技术可以实现焊接接头的快速烧结，并具有优异的性能[76-78]。目前，激光烧结技术已广泛用于金属，陶瓷和复合材料的烧结工
【参考文献】：
期刊论文
[1]日本放电等离子体烧结的现状[J]. 孟晔,强文江,贾成厂. 粉末冶金技术. 2014(04)
本文编号：3321416
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
在矩形毛细管中收集的微乳滴中纳米颗粒生长的光学显微镜图像[37]
第一章绪论7图1.3球-球模型的示意图[54]Figure1.3Schematicdiagramofthesphere-to-spheremodel[54]（半径为x）[54]。随后，颈部开始通过不同的材料传输机制成长，该机制包括在烧结过程中的体积扩散，晶界扩散，表面扩散[49,51]。不同烧结机理的烧结方程一般可以如下表示[51]：(+)=…(1.1)其中，x/r是颈部半径与粒子半径的比率。B是取决于颗粒尺寸，温度以及几何和材料项的常数。t是烧结时间，n是取决于传质过程的机理特征指数（粘流：n=2；体积扩散：n=4-5；晶界扩散：n=6；表面扩散：n=7）。Lu[9,18,55]等人是在纳米粒子烧结领域进行研究的开拓者。他们利用平均直径为30nm的商业销售的银颗粒来制备纳米银焊料，然后在一定的外部压力下，在234℃的温度下烧结60分钟可以实现SiC芯片之间的互连，接头的剪切强度为17-40MPa。通常可以通过延长样品的烧结时间，提高样品的烧结温度和施加外部压力来提高焊接接头的机械性能，这可能会阻碍纳米金属焊料的应用。因此，需要开发新的工艺，缩短烧结时间，简化烧结工艺并提高焊接接头的机械性能。最近，各国的科研工作者已经对纳米金属颗粒的快速烧结工艺进行了广泛的研究[56-58]。最近，Hirose[59]等人和Toshiaki[60]等人提出了一种通过与Ag2O微粒反应来原位生长银纳米颗粒的金属-金属烧结过程。在烧结过程中，通过Ag2O颗粒与三甘醇（TEG）之间的反应实现了银纳米颗粒的原位生长，这样的合成方式可以减少有
纳米银/铜的可控制备、低温烧结及其在微电子封装互连中的应用8图1.4在不同的烧结温度和5MPa的压力下，使用Ag2O焊料的Cu/Ni/Au-Cu/Ni/Au接头的烧结参数与拉伸强度之间的关系[59]Figure1.4RelationshipbetweenbondingparametersandtensilestrengthoftheCu/Ni/Au-to-Cu/Ni/AujointbondedusingtheAg2Opasteatvariousbondingtemperatureswithapressureof5MPa[59]机载体对纳米银粒子制备和烧结过程中的影响。实验表明，纳米银颗粒的烧结温度可以明显降低至200℃左右。此外，微米尺寸的Ag2O颗粒的成本比商业化的Ag纳米颗粒的成本更低。简而言之，该工艺不仅可以降低成本，还可以降低银纳米颗粒的烧结温度[59,61]。为了减少Ag离子在烧结过程中的电迁移，可以将Cu颗粒或包覆有Ag的Cu颗粒添加到混合浆料中[62-65]。如图1.3所示，微米尺寸的Ag2O浆料已经成功地用于低温烧结工艺中，可以用于镀银的铜块之间的连接，并且烧结时间可以控制在1分钟内。火花等离子体烧结（SPS）是近年来发展起来的一种快速烧结技术[66-68]，该技术具有许多非凡的优势，例如加热速度快（最高500℃/min）和烧结时间（30–300℃，300s）短[69-73]。此外，SPS还具有操作简单，可重复性高，节省空间，节省能源和成本低的优点[71,74]。另外，在SPS工艺中施加压力，可以增加金属纳米颗粒之间接触，从而在烧结过程中加速晶界扩散，晶格扩散[75]。与传统的热压烧结相比，激光烧结技术可以实现焊接接头的快速烧结，并具有优异的性能[76-78]。目前，激光烧结技术已广泛用于金属，陶瓷和复合材料的烧结工
【参考文献】：
期刊论文
[1]日本放电等离子体烧结的现状[J]. 孟晔,强文江,贾成厂. 粉末冶金技术. 2014(04)
本文编号：3321416
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