柯鑫, 谢炳卿, 王忠, 张敬国, 王建伟, 李占荣, 贺会军, 汪礼敏

无机材料学报 2024, 39 (1): 17-31. DOI:10.15541/jim20230345

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半导体材料是现代科技发展和产业革新的核心, 随着高频、高压、高温、高功率等工况的日趋严峻及“双碳”目标的需要, 以新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料逐步进入工业应用。半导体产业的贯通以及市场规模的快速扩大, 导致摩尔定律正逐渐达到极限, 先进封装互连将成为半导体行业关注的焦点。第三代半导体封装互连材料有高温焊料、瞬态液相键合材料、导电胶、低温烧结纳米Ag/Cu等几个发展方向, 其中纳米Cu因其优异的导电导热性、低温烧结特性和良好的可加工性成为一种封装互连的新型方案, 具有低成本、高可靠性和可扩展性, 近年来从材料研究向产业链终端应用贯通的趋势非常明显。本文首先介绍了半导体材料的发展概况并总结了第三代半导体封装互连材料类别; 然后结合近期研究成果进一步围绕纳米Cu低温烧结在封装互连等电子领域中的应用进行重点阐述, 主要包括纳米铜粉的粒度、形貌、表面处理和烧结工艺对纳米铜烧结体导电性能和剪切性能的影响; 最后总结了目前纳米铜在应用转化中面临的困境和亟待解决的难点, 并展望了未来的发展方向, 以期为低温烧结纳米铜领域的研究提供参考。

由于银的电阻率在所有单一金属中最低, 并且其氧化物形式也具有导电性, 因此在环氧树脂中填充微纳米银材料是制备导电胶的主要形式。电子通过导电填料形成的导电网络之间的接触点或利用隧穿效应完成电流传输, 与焊接相比, 由于未形成金属间的冶金结合使得电阻率更高, 电子难以通过。因此填料之间的网络形态和接触质量是影响导电胶导电性能的关键, 然而填充更多的导电填料又会降低导电胶的机械强度, 如何同时实现良好的导电性能和黏结性能是未来发展的方向[82]。张卫峰[83]采用平均粒径为1 μm的球形微米银颗粒与松油醇混合制备导电Ag胶, 在无压条件下280 ℃烧结30 min使镀银陶瓷基板表面与LED芯片焊接, 剪切强度可达25 MPa, 导电导热性能均优于商用锡膏。左兴[84]采用球形银粉和片状微纳米银粉混合制备导电银胶, 体电阻率达到10-7 Ω·m, 可充分满足第三代半导体封装对导电胶高导电性能的要求。本课题组的Zhang等[85]通过湿化学方法制备的Cu@Ag纳米颗粒填充进微米银片中通过和固化剂在120 ℃真空固化30 min, 增强了微米银片导电胶的导电性和抗拉强度, 体电阻率可降至2.0×10-6 Ω·m, 抗拉强度可达16 MPa, 获得高导电性和高强度导电胶, Cu@Ag纳米颗粒及导电胶性能表征如图7所示。