一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏及其制备方法

本发明涉及电子封装材料制备领域，尤其涉及一种电子封装用烧结铜膏及其制备方法。

背景技术：

1、碳化硅（sic）作为第三代宽禁带半导体核心材料，凭借高击穿场强、高热导率、高电子饱和漂移速度及耐高温的优异特性，成为新能源汽车、智能电网、航空航天等高端电力电子领域的核心器件基材，其功率芯片工作结温相较传统硅基芯片大幅提升，常规封装互连材料已无法匹配其高温、高可靠性的应用需求，互连体系的升级成为sic器件产业化落地的关键环节。sic功率封装互连材料历经多代技术迭代，早期广泛应用的锡基焊料，因热导率低、热膨胀系数与sic芯片及陶瓷基板匹配性差，在高温循环工况下易产生热应力开裂、界面分层等失效问题，且其熔点与热稳定上限难以满足sic器件200℃以上的长期工作要求，逐步被高性能烧结互连材料替代。

2、烧结银因具备超高的热导率与电导率，成为高性能sic封装的主流互连材料，有效解决了高温互连的核心痛点，但银粉原料成本高昂，且存在电迁移、烧结过程易团聚等问题，大幅提升了sic器件的制造成本，限制了其在民用领域的规模化推广。在此背景下，烧结铜凭借原料成本低廉、热/电导率接近烧结银、热膨胀系数与sic封装体系高度适配的综合优势，成为兼顾性能与成本的最优替代方案，是实现sic功率芯片低成本、高可靠性烧结互连的核心发展方向，备受行业关注。

3、然而，铜的化学活性较高，铜颗粒表面极易与空气中的氧气发生反应生成氧化层，这一问题成为制约烧结铜产业化应用的核心技术瓶颈。烧结过程中，铜粉氧化层会随温度升高持续增厚，不仅会阻碍铜颗粒间的扩散结合、抑制烧结颈形成，大幅劣化烧结体的导电、导热性能与力学强度，还会导致界面接触电阻上升，影响sic器件的长期工作稳定性。现有烧结铜的抗氧化解决方案主要分为两类，一类是采用真空或惰性气体保护烧结，虽能有效避免氧化，但需配套高端专用设备，大幅提升了生产设备与工艺成本，且降低了生产效率；另一类是在铜膏中过量添加有机还原剂，试图通过还原反应消除氧化层，但传统还原剂存在分解动力学与铜粉氧化动力学不匹配的问题，低温阶段还原剂易快速分解、过早耗尽，高温阶段铜粉氧化层过度生长却无足够还原剂还原，即便增加还原剂添加量，也难以实现全温区的有效抗氧化，还会因还原剂残留导致烧结体孔隙率上升，进一步影响互连性能。

4、综上，现有技术难以在空气气氛下实现烧结铜的高效、高质量抗氧化烧结，开发一种适配sic封装需求、可在空气气氛下完成抗氧化烧结的铜膏材料及制备方法，成为sic功率半导体封装互连领域亟待突破的关键技术难题。本项发明，即是在这种技术背景下完成的。

技术实现思路

1、本专利的目的是通过设计合适的还原剂与粘结剂体系，通过调控还原剂在粘结剂中的溶解与释放，实现烧结过程中还原剂的缓释效应，从而实现空气气氛中的抗氧化铜烧结。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏，按质量百分比包括80%至90%的亚微米铜颗粒以及10%至20%的有机载体，所述有机载体由粘结剂和还原剂组成，所述粘结剂与所述还原剂的质量比为10:3至10:1，所述亚微米铜颗粒为经空气储存形成表面铜氧化物层的铜颗粒。

4、进一步的，所述还原剂为分析纯葡萄糖c6h12o6、分析纯柠檬酸c6h8o7、分析纯抗坏血酸c6h8o6中的一种、两种组合、三种组合。

5、进一步的，所述粘结剂为聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400中的一种、两种组合、三种组合。

6、进一步的，所述亚微米铜颗粒的粒径为0.1μm至0.9μm。

7、一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏制备方法，用于如权利要求1至5任一项所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏，其特征在于，包括以下步骤：

8、步骤s1、将亚微米铜粉在空气中储存，使所述亚微米铜粉表面形成铜氧化物层；

9、步骤s2、将还原剂进行研磨预处理；

10、步骤s3、将粘结剂与经研磨预处理后的还原剂按质量比10:3至10:1混合，得到有机载体；

11、步骤s4、将所述亚微米铜粉与所述有机载体在高速离心机中混合，得到烧结铜膏，所述有机载体占所述烧结铜膏总质量的10%至20%；

12、步骤s5、将所述烧结铜膏密封冷藏储存；

13、步骤s6、在空气气氛下采用所述烧结铜膏对sic功率芯片进行烧结互连。

14、进一步的，步骤s2中，所述还原剂为分析纯抗坏血酸c6h8o6、分析纯葡萄糖c6h12o6、分析纯柠檬酸c6h8o7中的一种、两种组合、三种组合。

15、进一步的，步骤s2中，所述研磨预处理为将所述还原剂置于玛瑙研钵中研磨10min。

16、进一步的，步骤s4中，所述高速离心机的转速为2000r/min，混合时间为5min。

17、进一步的，步骤s6中，所述烧结互连的烧结温度为250℃，烧结压力为20mpa，烧结时间为5min。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、（1）本发明提供的空气烧结抗氧化铜膏及其制备方法，抗氧化烧结适应性强：通过将还原剂与聚乙二醇粘结剂复配，不同链长的粘结剂对还原剂的溶解度不同，且不同链长的粘结剂在加热过程中的分解速度也不同。利用这一现象，以粘结剂作为还原剂的缓释载体，利用粘结剂链长对还原剂释放过程进行调控，使还原剂释放动力学与铜粉氧化动力学相匹配，有效解决低温阶段还原剂过早耗尽的问题，从而使铜膏能够在空气气氛下完成抗氧化烧结。

20、（2）本发明提供的空气烧结抗氧化铜膏及其制备方法，烧结质量稳定性较好：亚微米铜颗粒在空气储存过程中表面形成铜氧化物层，该氧化层称之为预氧化层，并在后续还原剂作用下使该预氧化层原位还原为超细纳米铜颗粒，有利于调控铜颗粒表面状态；同时，亚微米铜颗粒表面形成的超细纳米结构能够增加颗粒表面活性，缩短原子扩散路径，促进烧结颈形成，提高空气气氛下铜颗粒之间的烧结结合效果。

21、（3）本发明提供的空气烧结抗氧化铜膏及其制备方法，封装应用成本低、工艺兼容性好：该铜膏可在空气气氛下用于sic功率芯片烧结互连，减少对真空烧结设备、惰性气氛保护设备及过量还原剂添加方式的依赖，在保证烧结铜层导电、导热和力学性能的基础上，有利于降低sic功率器件封装互连成本并提升工程应用便利性。

1.一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏，其特征在于，按质量百分比包括80%至90%的亚微米铜颗粒以及10%至20%的有机载体，所述有机载体由粘结剂和还原剂组成，所述粘结剂与所述还原剂的质量比为10:3至10:1，所述亚微米铜颗粒为经空气储存形成表面铜氧化物层的铜颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏，其特征在于，所述还原剂为分析纯葡萄糖c6h12o6、分析纯柠檬酸c6h8o7、分析纯抗坏血酸c6h8o6中的一种、两种组合、三种组合。

3.根据权利要求1所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏，其特征在于，所述粘结剂为聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400中的一种、两种组合、三种组合。

4.根据权利要求1所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏，其特征在于，所述亚微米铜颗粒的粒径为0.1μm至0.9μm。

5.一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏制备方法，用于如权利要求1至4任一项所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述还原剂为分析纯抗坏血酸c6h8o6、分析纯葡萄糖c6h12o6、分析纯柠檬酸c6h8o7中的一种、两种组合、三种组合。

7.根据权利要求5所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述研磨预处理为将所述还原剂置于玛瑙研钵中研磨10min。

8.根据权利要求5所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述高速离心机的转速为2000r/min，混合时间为5min。

9.根据权利要求5所述的一种实现空气气氛下抗氧化烧结铜膏制备方法，其特征在于，步骤s6中，所述烧结互连的烧结温度为250℃，烧结压力为20mpa，烧结时间为5min。