一种表面修饰金粉及其制备方法和应用与流程

本发明属于金属纳米材料，具体涉及一种表面修饰金粉及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着第三代半导体（如sic、gan）功率器件和高频光电器件的快速发展，对其内部芯片与基板之间的连接材料提出了更苛刻的要求：更高的导热导电性、更强的抗电迁移能力、优异的抗热机械疲劳性能以及更低的工艺温度。金（au）因其超凡的化学稳定性、极好的柔韧性和极高的电导、热导率，成为理想的互连材料。

2、低温烧结金技术是实现高可靠性金互连的关键技术。该技术核心是使用纳米或亚微米尺寸的金粉，通过特定的烧结工艺，使金粉在远低于金熔点的温度下融合，形成致密的金连接层。

3、金粉的微观特性直接决定了烧结的难易程度和最终性能。其中，微米级金粉（大于1μm）堆积性好，但烧结温度要求极高，难以在无压条件下实现致密连接；粒径小于50nm的纳米金粉烧结驱动力（表面能）大，有利于低温致密化；但纳米颗粒极易团聚，在浆料中分散困难，且堆积密度低，烧结时收缩应力大，易产生裂纹。

4、为防止纳米金粉团聚，可以在其表面修饰有机配体，但传统长链聚合物配体（如聚乙烯吡咯烷酮pvp）或强结合配体在烧结过程中分解温度高，会残留碳化物，严重劣化连接层的导电、导热和机械性能；若使用分解温度过低的配体，在储存或配制浆料过程中不稳定，包覆效果差，导致金粉团聚、沉降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种表面修饰金粉及其制备方法和应用。本发明提供的表面修饰金粉在储存和配制过程中稳定不沉降，在烧结过程中无碳化物残留，烧结得到的连接层孔隙率低，导电、导热和机械性能好。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种表面修饰金粉，包括金纳米颗粒以及原位修饰在所述金纳米颗粒表面的短链有机配体；所述金纳米颗粒的平均粒径为100~500nm；所述短链有机配体的碳原子数为2~14，末端官能团为-sh和-nh2中的一种或两种；所述短链有机配体的完全分解/挥发温度为80~230℃。

4、优选地，所述短链有机配体包括乙硫醇、丙硫醇、己硫醇、辛硫醇、十二烷硫醇、巯基丙酸、半胱胺、11-巯基-1-十一醇、正丁胺、己胺、辛胺、乙二胺和乙醇胺中的一种或多种。

5、本发明还提供了上述技术方案所述表面修饰金粉的制备方法，包括：将金前驱体溶液、短链有机配体混合，得到混合液；向所述混合液中加入还原剂进行还原反应，得到表面修饰金粉。

6、优选地，所述金前驱体溶液中金元素与短链有机配体的物质的量之比为(0.1~2):1。

7、优选地，所述还原剂包括硼氢化物、抗坏血酸、抗坏血酸盐、柠檬酸、柠檬酸盐、多酚类化合物、单糖、多元醇和亚硫酸盐中的一种或多种。

8、优选地，所述还原反应的温度为0~70℃。

9、优选地，所述还原剂以还原剂水溶液的形式加入到混合液中。

10、优选地，所述还原剂水溶液中还原剂的浓度为0.05~0.2mol/l。

11、本发明还提供了上述技术方案所述表面修饰金粉在制备烧结金导电材料中的应用，包括：

12、将所述表面修饰金粉与溶剂混合，得到金膏；

13、将所述金膏施加在基板上，粘贴芯片后进行烧结；所述烧结的温度高于所述短链有机配体的完全分解/挥发温度。

14、优选地，所述烧结为无压烧结。

15、本发明提供了一种表面修饰金粉，包括金纳米颗粒以及原位修饰在所述金纳米颗粒表面的短链有机配体；所述金纳米颗粒的平均粒径为100~500nm；所述短链有机配体的碳原子数为2~14，末端官能团为-sh和-nh2中的一种或两种；所述短链有机配体的完全分解/挥发温度为80~230℃。本发明通过控制金纳米颗粒的平均粒径，平衡纳米效应和微米优势，保证足够高的表面能提供低温烧结驱动力，同时又保证良好的颗粒级配和堆积密度，保证连接层良好的性能；采用含有特定末端官能团的短链有机配体进行原位修饰，可以与金纳米颗粒发生化学吸附或配位，使短链有机配体牢固锚定在金纳米颗粒表面，提高短链有机配体与金纳米颗粒的结合效果，提高制备、储存的稳定性；并且，短链有机配体具有适当的温度窗口，可以在室温稳定分散金纳米颗粒，在烧结时又能完全脱附、分解或挥发，避免有机配体残留对连接层的污染，提高连接层的导电、导热性能和机械性能。实施例的结果显示，本发明提供的表面修饰金粉烧结后所得连接层孔隙率低于5%，热导率高于190w/(m·k)，剪切强度大于40mpa。

1.一种表面修饰金粉，包括金纳米颗粒以及原位修饰在所述金纳米颗粒表面的短链有机配体；所述金纳米颗粒的平均粒径为100~500nm；所述短链有机配体的碳原子数为2~14，末端官能团为-sh和-nh2中的一种或两种；所述短链有机配体的完全分解/挥发温度为80~230℃。

2.根据权利要求1所述的表面修饰金粉，其特征在于，所述短链有机配体包括乙硫醇、丙硫醇、己硫醇、辛硫醇、十二烷硫醇、巯基丙酸、半胱胺、11-巯基-1-十一醇、正丁胺、己胺、辛胺、乙二胺和乙醇胺中的一种或多种。

3.权利要求1或2所述表面修饰金粉的制备方法，其特征在于，包括：将金前驱体溶液、短链有机配体混合，得到混合液；向所述混合液中加入还原剂进行还原反应，得到表面修饰金粉。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金前驱体溶液中金元素与短链有机配体的物质的量之比为(0.1~2):1。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂包括硼氢化物、抗坏血酸、抗坏血酸盐、柠檬酸、柠檬酸盐、多酚类化合物、单糖、多元醇和亚硫酸盐中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述还原反应的温度为0~70℃。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂以还原剂水溶液的形式加入到混合液中。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂水溶液中还原剂的浓度为0.05~0.2mol/l。

9.权利要求1或2所述表面修饰金粉或权利要求3~8任意一项所述制备方法制备的表面修饰金粉在制备烧结金导电材料中的应用，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述烧结为无压烧结。