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

摘要（958）

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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。

100 nm铜纳米颗粒与3-二甲氨基-1, 2-丙二醇(DMAPD)以4 : 1的质量比混合, 制备抗氧化铜浆。乳酸处理后的铜纳米颗粒表面有少量乳酸铜, 可以防止铜的氧化, 图12为铜纳米粒子的处理过程示意图。在225 ℃, 8 MPa, N₂气氛中烧结10 min得到导电铜膜, 剪切强度达到(28.7±1.6) MPa, 在空气中烧结也有着优异的抗氧化效果。Jang等[99]采用甲酸除去纳米铜表面氧化层的工艺使得纳米铜颗粒烧结在柔性高分子材料基板上。Nishikawa等[100]将片状铜颗粒与松油醇混合制成铜膏在300 ℃的空气中氧化5 min后引入还原性气体甲酸还原烧结40 min得到了剪切强度为17.1 MPa的Cu-Cu接头。片状铜颗粒表面的氧化物与热的甲酸气体反应, Cu₂O和CuO被还原成Cu, 重新露出新鲜的片状纯铜颗粒表面, 铜颗粒之间的物质交换得以进行。

(1)纳米Cu易氧化: 纳米Cu颗粒的制备和保存困难，其表面在空气中极易氧化为较稳定的CuO和Cu₂O, 杂质的电阻率和熔点都高于单质铜.纳米Cu颗粒表面的氧化层在烧结过程中阻碍了Cu原子间的扩散, 进而提升了烧结温度, 且会对致密度和导电性能造成不利影响. ...

Sintering of inkjet printed copper nanoparticles for flexible electronics

2010

... 100 nm铜纳米颗粒与3-二甲氨基-1, 2-丙二醇(DMAPD)以4 : 1的质量比混合, 制备抗氧化铜浆.乳酸处理后的铜纳米颗粒表面有少量乳酸铜, 可以防止铜的氧化, 图12为铜纳米粒子的处理过程示意图.在225 ℃, 8 MPa, N₂气氛中烧结10 min得到导电铜膜, 剪切强度达到(28.7±1.6) MPa, 在空气中烧结也有着优异的抗氧化效果.Jang等[99]采用甲酸除去纳米铜表面氧化层的工艺使得纳米铜颗粒烧结在柔性高分子材料基板上.Nishikawa等[100]将片状铜颗粒与松油醇混合制成铜膏在300 ℃的空气中氧化5 min后引入还原性气体甲酸还原烧结40 min得到了剪切强度为17.1 MPa的Cu-Cu接头.片状铜颗粒表面的氧化物与热的甲酸气体反应, Cu₂O和CuO被还原成Cu, 重新露出新鲜的片状纯铜颗粒表面, 铜颗粒之间的物质交换得以进行. ...

Improved joint strength with sintering bonding using microscale Cu particles by an oxidation-reduction process

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