本發(fā)明屬于半導(dǎo)體，具體涉及一種銅基復(fù)合焊膏、其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子設(shè)備的性能和集成度迅速提升，對(duì)微電子封裝技術(shù)提出了更高的要求，特別是在散熱和導(dǎo)電性能方面，傳統(tǒng)的封裝材料已難以滿足高端微電子器件的需求。因此，研究和開發(fā)新型高性能的微電子封裝材料顯得尤為重要。

2、銅基復(fù)合材料是指以銅為基體，附以顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)相，通過合適的方法制備出的新材料。銅基復(fù)合材料既具有銅合金良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，又具有良好的強(qiáng)度，易于加工、耐腐蝕，廣泛應(yīng)用于電接觸材料、電子封裝材料、熱交換材料等領(lǐng)域。然而，銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度與電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率難以同時(shí)兼顧。

3、為進(jìn)一步提升銅基復(fù)合材料的性能，人們嘗試將金剛石顆粒添加到銅基體中。金剛石以其卓越的熱導(dǎo)率和硬度而聞名，被視為一種理想的增強(qiáng)材料。然而，現(xiàn)有方法在實(shí)現(xiàn)金剛石與銅的有效結(jié)合方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。盡管已有一些嘗試通過將金剛石顆粒與銅粉混合，并采用熱壓燒結(jié)法制備銅基復(fù)合材料，但由于銅基復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜、成本高、金剛石與銅界面融合性差，界面結(jié)合不緊密，導(dǎo)致銅基復(fù)合材料制成的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能以及高溫穩(wěn)定性不佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種銅基復(fù)合焊膏、其制備方法與應(yīng)用，以解決現(xiàn)有技術(shù)中金剛石與銅界面融合性差，界面結(jié)合不緊密，導(dǎo)致銅基復(fù)合材料制成的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能以及高溫穩(wěn)定性不佳等技術(shù)問題。

2、第一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種銅基復(fù)合焊膏，所述銅基復(fù)合焊膏包括：納米級(jí)銅粉、微米級(jí)摻雜改性金剛石粉、鈦粉、助劑、溶劑和樹脂。

3、可選地，所述納米級(jí)銅粉、微米級(jí)摻雜改性金剛石粉和鈦粉的質(zhì)量比為94-99：0.5-5.0：0.5-1.0，優(yōu)選為95-99：0.5-5.0：0.5-1.0。

4、可選地，所述微米級(jí)摻雜改性金剛石粉由微米金剛石經(jīng)摻雜改性制得，摻雜元素選自硼、硫、氮、磷和鎂中的至少一種。

5、可選地，當(dāng)所述摻雜元素采用硼時(shí)，采用的硼源硼單質(zhì)、氧化硼、硼酸三甲酯等物質(zhì)。

6、可選地，當(dāng)所述摻雜素采用硫時(shí)，采用的硫源包括但不限于：二氧化硫、硫化氫、二甲基二硫等物質(zhì)。

7、可選地，當(dāng)所述摻雜元素采用氮時(shí)，采用的氮源包括但不限于：氮?dú)?、氨氣、氯化銨、三聚氰胺、烏洛托品。

8、可選地，當(dāng)所述摻雜元素采用磷時(shí)，采用的磷源包括但不限于：磷化氫等物質(zhì)。

9、可選地，當(dāng)所述摻雜元素采用鎂時(shí)，采用的鎂源包括但不限于：氮化鎂、硼化鎂等物質(zhì)。

10、可選地，所述納米級(jí)銅粉的粒徑≤100nm。

11、可選地，所述鈦粉的粒徑為40-200μm，優(yōu)選為50-200μm。

12、可選地，所述溶劑選自一元醇、多元醇、聚乙二醇和多元醇醚中的至少一種。

13、本發(fā)明中，一元醇可以列舉例如乙醇、松油醇等物質(zhì)。

14、本發(fā)明中，多元醇可以列舉例如乙二醇、丙三醇、二乙二醇等物質(zhì)。

15、本發(fā)明中，多元醇醚可以列舉例如乙二醇丁醚、二乙二醇己醚、二乙二醇辛醚、三丙二醇丁醚、二乙二醇二丁醚等物質(zhì)。

16、可選地，所述樹脂選自氫化松香、聚合松香、水白松香和萜烯樹脂中的至少一種。

17、可選地，所述助劑包括還原劑和/或表面活性劑。

18、可選地，所述還原劑包括抗壞血酸、抗壞血酸鹽或二者的組合物。

19、可選地，所述表面活性劑包括烷基酚聚氧乙烯醚、烯基聚氧乙烯醚或二者的組合物。

20、可選地，所述微米金剛石的粒徑為10-50μm，優(yōu)選為20-50μm。

21、可選地，所述助劑、溶劑與樹脂的體積比為10-20：80-90：5-10，優(yōu)選為15-20：80-90：5-10。

22、可選地，所述納米級(jí)銅粉與助劑的質(zhì)量比在5:1-10:1范圍內(nèi)，優(yōu)選為6:1-8:1。

23、第二個(gè)方面，本發(fā)明還提供如上項(xiàng)所述的銅基復(fù)合焊膏的制備方法，包括以下步驟：

24、s1.對(duì)微米金剛石進(jìn)行摻雜改性，制得微米級(jí)摻雜改性金剛石粉；

25、s2.混合所述微米級(jí)摻雜改性金剛石粉和鈦粉，研磨，得到混合粉末；

26、s3.混合助劑、溶劑和樹脂，得到混合液；

27、s4.將納米級(jí)銅粉和所述混合粉末超聲分散于所述混合液中，制得所述銅基復(fù)合焊膏。

28、可選地，步驟s1所述摻雜改性過程中，溫度為80-1100℃，優(yōu)選為90-1100℃；壓力為8-15kpa，優(yōu)選為9-15kpa。

29、可選地，步驟s2中，所述研磨的轉(zhuǎn)速為150-500rpm，優(yōu)選為200-500rpm；所述研磨的時(shí)長為4-10h，優(yōu)選為4.5-10h。

30、可選地，步驟s4中，所述超聲分散的溫度≤40℃，所述超聲分散的時(shí)長為10-20min，優(yōu)選為15-20min。

31、第三個(gè)方面，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件，包括金屬基板和芯片，所述金屬基板和芯片之間通過如上所述的銅基復(fù)合焊膏或根據(jù)如上所述方法制得的銅基復(fù)合焊膏經(jīng)絲網(wǎng)印刷在金屬基板上，然后將芯片置于印刷后的焊層上，接著于真空條件下烘烤，再經(jīng)過熱壓燒結(jié)后連接在一起。

32、可選地，所述金屬基板的厚度為50-200μm，優(yōu)選為60-200μm。

33、可選地，所述烘烤的溫度為80-160℃，優(yōu)選為80-120℃；所述烘烤的時(shí)長為5-30min，優(yōu)選為5-15min。

34、可選地，所述熱壓燒結(jié)包括：以5-15℃/min的升溫速率加熱至220-350℃，并于220-350℃溫度下保溫3-20min。

35、可選地，所述熱壓燒結(jié)過程中，壓強(qiáng)為3-10mpa，優(yōu)選為5-8mpa。

36、如上所述，本發(fā)明的銅基復(fù)合焊膏、其制備方法與應(yīng)用，具有以下有益效果：

37、本發(fā)明的銅基復(fù)合焊膏，通過加入微米級(jí)摻雜改性金剛石粉（即對(duì)微米金剛石進(jìn)行摻雜改性），能夠使硼、硫、氮、磷、鎂等摻雜原子滲入微米金剛石的晶格中，有助于提升導(dǎo)電性能，而導(dǎo)電性能的提升有助于降低焊層的發(fā)熱功率，進(jìn)而改善半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能以及高溫穩(wěn)定性。

38、本發(fā)明在銅基復(fù)合焊膏制備過程中，通過將微米級(jí)摻雜改性金剛石粉與鈦粉進(jìn)行混合，并研磨，能夠使微米級(jí)摻雜改性金剛石粉和鈦粉更充分接觸、混合，增加金剛石與鈦粉之間的結(jié)合力，從而在后續(xù)的燒結(jié)過程中形成更緊密的界面結(jié)合，提高界面結(jié)合的緊密性，提升熱傳導(dǎo)性能，進(jìn)而改善焊膏制成的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能以及高溫穩(wěn)定性。

39、本發(fā)明在銅基復(fù)合焊膏制備過程中，通過控制混合粉末中微米級(jí)摻雜改性金剛石粉的含量在特定水平，能夠在維持整體焊層相比與純銀/銅金屬的同數(shù)量級(jí)導(dǎo)電性的同時(shí)，顯著改善半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能（金剛石的熱導(dǎo)率為2200-2600w·mk，銅為380-401w·mk），并降低焊層與芯片之間的熱膨脹系數(shù)差異，綜合提升半導(dǎo)體器件的高溫穩(wěn)定性。

40、本發(fā)明在銅基復(fù)合焊膏制備過程中，通過在混合液中加入助劑（抗壞血酸、烷基酚聚氧乙烯醚和烯基聚氧乙烯醚中的至少一種），能夠提升焊料的活化能或使燒結(jié)過程中銅與空氣中的氧氣生成的氧化銅或氧化亞銅還原成銅，提升焊料的導(dǎo)熱性能，改善后續(xù)燒結(jié)過程中的燒結(jié)質(zhì)量，進(jìn)而改善焊膏制成的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能以及高溫穩(wěn)定性。

41、本發(fā)明的銅基復(fù)合焊膏能夠降低焊層的整體熱膨脹系數(shù)，從而降低溫度變化過程中芯片和焊層之間的熱應(yīng)力，進(jìn)而提高焊膏制成的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能以及高溫穩(wěn)定性。

42、本發(fā)明的銅基復(fù)合焊膏能夠在兼顧焊層導(dǎo)電性能的前提下，進(jìn)一步提升焊層的熱導(dǎo)率，改善整體散熱性能，進(jìn)而改善半導(dǎo)體器件的導(dǎo)熱性能以及高溫穩(wěn)定性。

43、本發(fā)明的銅基復(fù)合焊膏的成本較低，且可重復(fù)利用失效或報(bào)廢的金剛石芯片，亦或電極材料等，來源廣泛，降低了成本。