[发明专利]纳米立方银焊膏、互连结构及焊接方法

说明书

本发明公开了一种纳米立方银焊膏、互连结构及其焊接方法，纳米立方银焊膏由尺寸均一的纳米立方银颗粒与有机溶剂混合而成，具有连接层孔隙率低、剪切强度高等优势。所述纳米立方银颗粒为立方体形状、粒径为20nm～200nm，纳米立方银焊膏可用于制备覆铜陶瓷基板和IGBT模块功率芯片的互连结构；本发明利用纳米立方银颗粒的自组装性能，形成超晶格结构，实现纳米立方银颗粒的紧密排列，经焊接后形成的连接层的连接接头界面层结合良好，连接层的孔隙率约为5％，剪切强度达到30Mpa以上，具有较高的剪切强度，能够很好地应用于电子器件的封装互连；其制备工艺简单，便于工业化生产。

技术领域

本发明属于金属纳米颗粒的连接领域，具体地涉及一种纳米立方银焊膏、及其焊接方法。

背景技术

高功率器件如IGBT模块面临着使用温度、导热性、导电性和可靠性等方面的挑战。IGBT模块芯片的连接是通过连接材料实现功率半导体芯片与基板的互连。由于芯片与基板的连接层需要提供必要的散热、导电以及机械支撑等作用，所以芯片界面焊接技术成为了功率半导体模块封装中最重要的一环。传统的高铅焊料已经达到了性能的极限。近年来，银膏焊接技术作为一种新技术去应对这一挑战。为了提高IGBT模块的耐温能力和可靠性，纳米银焊膏焊接技术在IGBT硅基芯片的封装等方面得到了越来越多的关注。

纳米银焊膏的焊接技术，即通过焊接纳米银颗粒实现功率半导体器件与基板互接的方法。它是对纳米级的银颗粒在300℃以下进行焊接，通过原子间互扩散实现良好连接的技术。因为银具有优异的导电、导热特性，纳米银焊膏低温焊接连接层具有高的剪切强度和连接强度，并且金属银具有较高的熔点(961℃)，非常适合作为耐高温芯片连接材料。纳米银焊膏的低温焊接技术带来的电子封装产品整体性能的提升远大于5％，因此它在未来电力电子领域中高集成化、高功率化的功率半导体器件的封装应用中前景较好。

纳米银焊膏的焊接技术也存在一些挑战。现有的纳米银焊膏通常使用球形纳米银颗粒、片状纳米银颗粒或柱状纳米银颗粒中的一种或两种作为原材料，利用纳米银颗粒的自组装性能，纳米银颗粒之间形成紧密排列，由于其形状不同，尺寸不均一，紧密排列时颗粒之间会出现空洞缺陷，焊接后的焊接接头连接层的孔隙率也会升高。这都会严重降低芯片连接层的剪切强度及导热性能。

在本发明中，我们开发了一种纳米立方银作为原材料的银焊膏，利用纳米立方银颗粒的自组装性能，在焊接前形成超晶格结构，实现纳米立方银颗粒的紧密排列，降低焊接连接层的孔隙率。通过焊接的方法，进一步达到降低芯片连接层孔隙率的目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种纳米立方银焊膏及其焊接方法、以及形成的覆铜陶瓷基板和IGBT模块功率芯片的互连结构及焊接方法，更好地解决现有的纳米银焊膏在焊接时形成的连接层孔隙率较高和剪切强度较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种纳米立方银焊膏，其由尺寸均一的纳米立方银颗粒与有机溶剂混合而成，所述纳米立方银颗粒为立方体形状，其粒径为20nm～200nm。

作为优选方式，在焊接过程中利用其自组装性能形成超晶格阵列结构，实现纳米立方银颗粒的紧密排列，降低焊接连接层的孔隙率。

作为优选方式，有机溶剂选自乙二醇、松油醇、α-萜品醇、β-萜品醇、γ-萜品醇、δ-萜品醇、丙三醇、甘油、二甘醇和三甘醇的任意一种或两种以上的混合物。

作为优选方式，纳米立方银颗粒和有机溶剂的质量之比为(5～12)：1。

作为优选方式，粒径为20nm～200nm的纳米立方银颗粒由多元醇热还原法制备而成，具体步骤如下：

(1)将催化剂溶解于溶剂中，获得第一反应液；

(2)将配位体溶解于溶剂中，获得第二反应液；

(3)将保护剂溶解于溶剂中，获得第三反应液；