一种预成型铜基材料及其制备方法与应用

本发明属于铜烧结互联，尤其涉及一种预成型铜基材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着新能源汽车、光伏储能、风力发电、5g/6g等领域的快速发展，电力电子器件在能量转换、电力传输、驱动系统中发挥着越来越重要的作用。为了提高其性能、效率和可靠性，以碳化硅(sic)和氮化镓(gan)为代表的宽带隙(wbg)半导体材料受到越来越多的关注。与传统的硅(si)半导体相比，wbg半导体具有高耐压、高电子迁移率、高热导率、高抗辐射性和更高的工作温度范围等优点，使其更适合高电力、高温、高频和抗辐射应用。为了充分利用这些wbg功率器件，芯片粘接材料必须表现出优异的电气、热和机械性能，并在高工作温度范围(例如200℃-350℃)下保持高可靠性。然而，目前电子封装技术中使用的高温无铅焊料存在重熔温度低、导热系数低、高温可靠性差等问题，无法满足wbg功率器件封装的严格要求。

2、金属焊膏低温烧结互联技术被认为是实现功率器件高导热高可靠封装的最有前途的技术之一。金属焊膏低温烧结互联技术的典型工艺包括在基板上印刷焊膏、贴附元件，最后在特定温度和压力下进行烧结互联，以获得高性能的接头。相比于传统的钎料互联技术和瞬态液相烧结技术，金属焊膏烧结互联技术不仅互联强度高、导电导热性能好而且具有优异的高温可靠性。金属铜和银颗粒具有优异的导电导热性，因此常被用于制备金属焊膏。由于铜的成本远低于银且抗电化学迁移能力强，因此铜焊膏具有更广泛的商业应用价值。然而，铜颗粒特别容易被氧化并发生团聚，因此需要加入大量的还原剂、分散剂、粘结剂、稀释剂等添加剂来保证铜焊膏的稳定性和印刷性。在大面积芯片贴装时，接头中心部分焊膏中的添加剂很难完全去除，这会阻碍铜颗粒烧结互联，严重降低烧结接头热力学性能和可靠性。为了提高大面积芯片贴装时铜烧结接头的可靠性，需要在贴片前引入预干燥工艺辅助去除添加剂，或者提高烧结温度加长烧结时间去除溶剂的残留，使得互联工艺变得相对复杂；此外铜膏焊点的性能还受印刷工艺的影响，可能导致焊点成型性较差等问题，因此不利于大范围工业化应用。

3、专利cn117001206a公开了一种低温烧结型多峰铜基焊膏及其制备方法与应用，其中所述铜基焊膏是将铜粉预处理得到铜粉沉淀物，用有机酸溶液处理或先用有机酸溶液处理再用金属盐处理，烘干后研磨，加有机溶剂，搅拌，最后研磨，均匀化得到铜基金属焊膏。该焊膏中含有10％以上的机溶剂，在大面积芯片互联之前需要进行预干燥处理，否则会在接头内部出现机溶剂的残留，降低互联接头的一致性和长期可靠性。

4、专利cn110289120a公开了一种预成型纳米银片的制备及封装方法，其各组成成分和质量百分比为：纳米银颗粒5％-20％、混合微米银颗粒40-70％、烧结助剂1％-10％、流平剂0.1％-1％、消泡剂0.1％-2％、混合有机溶剂10％-50％。该方案中使用的银价格昂贵，目前铜的价格45元/kg-65元/kg，银的价格5500元/kg-5700元/kg远高于铜，不利于大规模使用。此外，由于银在服役过程中存在电迁移的现象，可能严重影响器件的可靠性。

5、专利cn113764120a公开了一种抗氧化铜膜的制备方法。首先将抗氧化铜粉、醇类溶剂、醇胺类溶剂、树脂、助剂进行研磨混合，经脱泡处理，得到抗氧化铜浆；接着将抗氧化铜浆涂覆于基底上，在惰性气氛下，干燥、预固化，得到铜膜前体1；将铜膜前体1在惰性气氛下固化，得到铜膜前体2；最后将铜膜前体2置于含巯基或二硫键的化合物中处理，得到抗氧化铜膜。该方案得到的铜膜已经失去了烧结性能，无法应用于电子封装互联结构。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种预成型铜基材料及其制备方法与应用。通过涂布的方式将铜焊膏涂敷在基材上形成薄膜或图案，接着对薄膜或图案进行加热预成型。通过调节铜焊膏中的溶剂以及所使用的基材类型，在加热干燥后可以获得粘附在基材的预成型铜膜和脱离基材的预成型铜片。该方法能够在去除预成型铜基材料中有机物成分的同时不降低铜材料的进一步烧结特性，可以解决烧结接头内部因溶剂残留而导致烧结不充分及接头性能不一致的问题。相比于现有技术，该方法省去印刷环节，在铜膜上直接贴芯片或者在基材上先放置铜片再贴芯片，接着进行有压烧结互联，均可以获得高性能互联接头。此外，所制备的预成型铜基材料与基材之间不存在金属差异，因此可以省去基材表面的金属化工艺，从而大幅度降低使用成本。

2、本发明的第一个目的是提供一种预成型铜基材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、铜材料在有机酸溶液中进行钝化处理，经洗涤、干燥得到表面钝化的铜材料；

4、s2、将s1所述的表面钝化的铜材料和溶剂混合均匀，得到铜焊膏；所述溶剂选自1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丁二醇、1,4-丁二醇、甘油、2-乙基己醇和三甘醇中一种或者多种，所述溶剂为极性且具有较强还原性的醇类溶剂，且其沸点在150℃以上；

5、s3、将s2所述的铜焊膏涂布在基材表面，经加热得到预成型铜基材料。

6、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述有机酸选自异丁酸、戊酸、辛酸、羟基丁二酸、乳酸、丙酮酸、戊二酸、庚酸、癸酸和油酸中的一种或多种。

7、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述钝化处理的时间为15min-60min。

8、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述表面钝化的铜材料和溶剂的质量比为70-84:16-30。

9、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述涂布的方式选自旋涂、刮涂、丝网印刷、钢网印刷和点胶中的一种或多种。

10、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述基材选自载玻片、硅片、覆铜陶瓷基板和带状铜箔中的一种或多种。当基板为载玻片或硅片时，加热后会得到脱落的预成型铜片；当基板为覆铜陶瓷基板和带状铜箔时，加热后会得到粘接在基板上的预成型铜膜，预成型铜膜在覆铜陶瓷基板和带状铜箔上具有足够的机械强度，带有预成型铜膜的覆铜陶瓷基板和带状铜箔可作为半成品直接应用于功率电子封装，为客户省去了焊膏印刷、预干燥等步骤，可以提高生产效率。

11、进一步地，所述覆铜陶瓷基板选自dbc、amb或dpc。

12、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述加热是在保护气氛下，以130℃-200℃加热3min-60min。

13、在本发明的一个实施例中，所述保护气氛选自氮气气氛或氩气气氛。

14、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的预成型铜基材料，所述预成型铜基材料的厚度为50μm-500μm。

15、本发明的第三个目的是提供一种所述的预成型铜基材料在互联封装中的应用。

16、在本发明的一个实施例中，当预成型铜基材料应用于芯片互联封装时，芯片的尺寸为(2-10)×(2-10)mm2。

17、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

18、(1)本发明所述的预成型铜基材料可以直接替代颗粒型焊膏用于电子互联，相比由溶剂与颗粒组成的铜颗粒焊膏，预成型铜基材料(铜片和铜膜)属于固态多孔薄层结构，可以彻底避免颗粒团聚及印刷不均匀等问题；此外，由于预成型过程中有机溶剂(有机溶剂会吸水)已经被去除，因此预成型铜基材料的长期稳定性得到提高，这为铜烧结互联技术的商业应用打下坚实基础。

19、(2)本发明所述的预成型铜基材料采用表面钝化的铜材料，该钝化结构可以阻碍铜材料在预成型过程的表面原子扩散，降低其烧结效率，使预成型铜基材料(铜膜和铜片)能够保留进一步烧结连接的能力，为利用预成型铜基材料实现低温铜烧结互联提供理论基础。

20、(3)本发明所述的预成型铜基材料成本低且在预成型过程有机物残留已经被去除，因此该预成型铜基材料不仅适用于芯片与基板之间、带状铜箔与基板之间及芯片与带状铜箔之间的互联，还适用于大面积互联封装，解决了互联接头内部因溶剂挥发缓慢而引起强度低及不一致的问题，同时解决了大面积使用成本高的问题。此外，使用预成型铜基材料可以为客户省去了焊膏印刷、预干燥等步骤，可以减少设备投入、提高生产效率。