可燒結(jié)金屬顆粒及其在電子應(yīng)用中的用途制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供可燒結(jié)金屬顆粒及包含其的組合物。所述組合物可以多種方式使用，即，通過(guò)取代焊料作為芯片帖裝材料。所得燒結(jié)的組合物可在常規(guī)半導(dǎo)體組裝中作為焊料的替代物，且在大功率裝置中提供增強(qiáng)的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。因此，本發(fā)明專利技術(shù)的組合物提供了一種對(duì)于必須在固化過(guò)程中經(jīng)受機(jī)械力的納米?顆粒金屬的替代物。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及可燒結(jié)金屬顆粒，及其多方面用途。一方面，本專利技術(shù)涉及包含可燒結(jié)金屬顆粒的組合物。另一方面，本專利技術(shù)涉及粘附金屬顆粒至金屬基底的方法。還有一方面，本專利技術(shù)涉及改善金屬組件與金屬基底的粘合力的方法。
技術(shù)介紹
為了滿足各監(jiān)管機(jī)構(gòu)的規(guī)定(例如，有害物質(zhì)限用(RoHS)規(guī)定要求從電子設(shè)備中徹底消除Pb，芯片帖裝市場(chǎng)在尋找含鉛焊料的替代物。現(xiàn)有候選焊料如Bi-合金、Zn-合金和Au-Sn合金由于它們?cè)S多的局限性，例如電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率差、脆、可加工性差、抗腐蝕性差、高成本等，而受到較低的關(guān)注。市場(chǎng)上另一趨勢(shì)為碳化硅技術(shù)的出現(xiàn)取代硅技術(shù)。為了達(dá)到更高的性能，碳化硅技術(shù)相比于硅技術(shù)在顯著更高的溫度、功率和電壓下運(yùn)行。上述提及的候選焊料不能在高于250℃的溫度下施用。因此，除了上述提及的無(wú)鉛焊料的不足之外，無(wú)鉛焊料相比于含鉛焊料具有更低的工作溫度。燒結(jié)是通過(guò)在低于金屬熔點(diǎn)溫度下加熱將金屬的顆粒焊接/粘合在一起。驅(qū)動(dòng)力是由于表面積和表面自由能的降低使自由能改變。在燒結(jié)溫度下，擴(kuò)散過(guò)程引起凹槽的形成，這導(dǎo)致這些接觸點(diǎn)的增長(zhǎng)。在燒結(jié)過(guò)程完成后，鄰近的金屬顆粒通過(guò)冷焊接在一起。為了具有優(yōu)良的粘合力、熱性能和電性能，不同顆粒不得不幾乎完全合并在一起，導(dǎo)致金屬具有非常致密的結(jié)構(gòu)與有限的孔隙。采用金屬顆粒燒結(jié)的許多工作已經(jīng)在納米-顆粒上展開(kāi)。采用納米顆粒的工作揭示了由于納米顆粒具有驅(qū)使燒結(jié)的更高的表面積，該材料在低于常規(guī)金屬薄片的溫度下燒結(jié)。遺憾的是，在高溫下燒結(jié)后形成的材料保持多孔和易脆。在導(dǎo)電組合物中孔隙的存在可引起空洞，這可能導(dǎo)致使用了
所述填料顆粒的半導(dǎo)體或微電子裝置的失效。為了克服孔隙的存在，且增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，納米-顆粒金屬通常在升高的溫度下燒結(jié)，同時(shí)遭受機(jī)械力以消除孔隙且獲得充分的致密化，以使其適用于半導(dǎo)體制造。使用納米-顆粒金屬的另一問(wèn)題是由此存在的潛在的健康和環(huán)境的挑戰(zhàn)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
依據(jù)本專利技術(shù)的一方面，提供包含可燒結(jié)金屬顆粒的組合物。所述組合物可以多種方式使用，即，通過(guò)在芯片帖裝應(yīng)用中替換焊料或通過(guò)替換焊料作為芯片帖裝材料。所得燒結(jié)的組合物可在常規(guī)半導(dǎo)體組裝中作為焊料替代物使用，且在大功率裝置中提供增強(qiáng)的傳導(dǎo)率。因此，本專利技術(shù)的組合物提供了一種納米-顆粒金屬的替代物，所述納米-顆粒金屬必須在固化過(guò)程中經(jīng)受機(jī)械力。因此，依據(jù)本專利技術(shù)的一方面，其提供的組合物包含具有界定(defined)性能的金屬顆粒。該組合物展現(xiàn)出優(yōu)良的燒結(jié)能力，制得其中孔隙的產(chǎn)生得到降低的燒結(jié)材料，且不需要在過(guò)熱和施加機(jī)械力下燒結(jié)以產(chǎn)生致密結(jié)構(gòu)，這使得在界面處形成更多連接點(diǎn)和牢固的結(jié)合。具體地，已發(fā)現(xiàn)具有下述性能組合的金屬顆粒也將具有優(yōu)良的燒結(jié)性能：1.顆粒需要具有一定的晶粒尺寸(晶粒尺寸可以例如由X-射線分析通過(guò)Rietveld精修方法獲得)。由于除了晶粒尺寸外的其它因素(晶體位錯(cuò)、晶界、微應(yīng)力等)也可部分導(dǎo)致峰的增寬，選擇使用因子ψ(其為平均值，對(duì)于不同的峰從衍射峰的峰寬(用Lorentzian函數(shù)擬合)除以峰位置得出)。2.所述可燒結(jié)顆粒在晶體學(xué)方向上需要為各向異性。晶體各向異性可定義為晶體材料的形狀、物理或化學(xué)性質(zhì)在與其晶格的主軸(或晶面)有關(guān)的方向上的變化。有這種各向異性性質(zhì)的材料已被觀察到展現(xiàn)出相對(duì)彼此的擇優(yōu)取向。多個(gè)顆粒的這種取向給燒結(jié)提供了良好的起點(diǎn)，因?yàn)橄嚓P(guān)平面彼此平行取向，將容易燒結(jié)。典型的方法來(lái)測(cè)定晶體是否為各向異性涉及將特定衍生峰的相對(duì)強(qiáng)度與完全各向同性材料的相對(duì)強(qiáng)度比較(見(jiàn)例如Yugang Sun&Younan Xia,Science,Vol.298,2002,pp.2176-79)。此外優(yōu)選超過(guò)50％的顆粒展現(xiàn)出該各向異性，尤其當(dāng)該各向異性具有相同的晶體學(xué)方
向。3.顆粒的結(jié)晶度應(yīng)該為至少50％。附圖說(shuō)明圖1示出三個(gè)示例性顆粒銀樣品的X-射線衍射的原始數(shù)據(jù)，代表典型的可燒結(jié)金屬。圖2示出七個(gè)不同樣品的峰寬作為每個(gè)峰位置函數(shù)的圖。注意在晶片剪切測(cè)試完成良好的樣品落入較低“帶”，其對(duì)應(yīng)通常更窄的峰，因此依據(jù)Scherrer方程，通常為更大的晶體。圖3示出對(duì)分析的所有樣品的“psi”參數(shù)圖。具體實(shí)施方式根據(jù)本專利技術(shù)，本專利技術(shù)提供的組合物包含：分散于合適的載體中的可燒結(jié)金屬顆粒，其中至少一部分的所述金屬顆粒的特征在于：--由X-射線衍射限定的Ψ值<0.0020，--具有至少50％的結(jié)晶度，以及--在晶體學(xué)方向上為各向異性。這里使用的合適的可燒結(jié)金屬顆粒包括Ag、Cu、Au、Pd、Ni、In、Sn、Zn、Li、Mg、Al、Mo等，及其任何兩種或更多種的混合物。在一些實(shí)施方案中，可燒結(jié)金屬顆粒為銀。這里使用的Ψ值表示衍射峰的增寬(這是由于儀器和樣品二者共同造成的)。為了該應(yīng)用，將“樣品增寬”與“儀器增寬”區(qū)分開(kāi)。對(duì)于描述衍射峰形狀的函數(shù)，通常使用的術(shù)語(yǔ)為峰形函數(shù)(Profile Shape Function)(PSF)。基于本專利技術(shù)的目的，選擇使用Lorentzian函數(shù)擬合峰。因此，由原始數(shù)據(jù)測(cè)定“psi”參數(shù)通過(guò)首先獲得示例性材料的X射線衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行(例如見(jiàn)圖1)。然后獲得所有樣品的峰寬(例如見(jiàn)圖2)。為了簡(jiǎn)化樣品表征，可定義“psi”參數(shù)，為峰寬除以其峰位置(因此該值為無(wú)量綱)。可隨后對(duì)每個(gè)峰計(jì)算平均“psi”值且得到最終平均值。圖3示出了對(duì)分析的所有樣品，該“psi”參數(shù)的圖。注意每個(gè)樣品的“psi”仍代表儀器增寬和樣品增寬二者的貢獻(xiàn)。圖3中的虛線為儀器對(duì)“psi”的貢獻(xiàn)(其為常數(shù)，從參比NAC晶體在同樣儀器上作為其余的樣品分析獲得)。然后比較總“psi”因子和“psi”星(表示僅由樣品引起的衍射峰增寬)。0.002的臨界值將性能良好的樣品和性能差的樣品分開(kāi)。這里使用的金屬顆粒具有至少50％的結(jié)晶度。在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有至少60％的結(jié)晶度；在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有至少70％的結(jié)晶度；在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有至少80％的結(jié)晶度；在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有至少90％的結(jié)晶度；在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有至少95％的結(jié)晶度；在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有至少98％的結(jié)晶度；在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有至少99％的結(jié)晶度；在一些實(shí)施方案中，這里使用的金屬顆粒具有基本上100％的結(jié)晶度。這里所使用的晶體各向異性指晶體材料的物理或化學(xué)性質(zhì)在與其晶格的主軸(或晶面)有關(guān)的方向上的變化。有許多方法可用于測(cè)定晶體的各向異性，包括，例如，光學(xué)的、磁學(xué)的、電學(xué)的或X-射線衍射方法。后者中對(duì)銀的晶體各向異性的微分化的一個(gè)方法特別地在Yugang Sun&Younan Xia,Science,Vol.298,2002,pp.2176-79中提及：值得注意的是(200)和(111)衍射峰強(qiáng)度之間的比高于常規(guī)值(0.67與0.4)，表明我們的納米立方體在{100本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種導(dǎo)電粘合劑組合物，其包含：分散于適合的載體中的可燒結(jié)金屬顆粒，其中，至少一部分的所述金屬顆粒的特征在于：??由X?射線衍射限定的Ψ值<0.0020，??具有至少50％的結(jié)晶度，以及??在晶體學(xué)方向上為各向異性。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】2014.02.24 US 61/943,5161.一種導(dǎo)電粘合劑組合物，其包含：分散于適合的載體中的可燒結(jié)金屬顆粒，其中，至少一部分的所述金屬顆粒的特征在于：--由X-射線衍射限定的Ψ值<0.0020，--具有至少50％的結(jié)晶度，以及--在晶體學(xué)方向上為各向異性。2.權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述金屬選自Ag、Cu、Au、Pd、Ni、In、Sn、Zn、Li、Mg、Al或Mo。3.權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述金屬為銀。4.權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述適合的載體為液體。5.權(quán)利要求4所述的組合物，其中所述載體為醇、芳香烴、飽和烴、氯代烴、醚、多元醇、酯、二元酯、煤油、高沸點(diǎn)醇及其酯、二醇醚、酮、酰胺、雜芳族化合物、及其任何兩種或更多種的混合物。6.權(quán)利要求4所述的組合物，其中所述醇為一縮二丙二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、己二醇、1-甲氧基-2-丙醇、雙丙酮醇、叔丁醇、2-乙基-1,3-己二醇、十三烷醇、1,2-辛二醇、二乙二醇丁醚、α-萜品醇或β-萜品醇。7.權(quán)利要求4所述的組合物，其中所述酯為2-(2-丁氧基乙氧基)乙基乙酸酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二異丁酸酯、碳酸1,2-亞丙酯、卡必醇乙酸酯、丁基卡必醇乙酸酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、乙基卡必醇乙酸酯、己二醇或鄰苯二甲酸二丁酯。8.權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述金屬顆粒占所述組合物的約20
\t重量％-約98重量％。9.權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述組合物在燒結(jié)時(shí)形成致密的燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)，且具有高芯片剪切強(qiáng)度。10.權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述組合物能在100℃–350℃的溫度下固化，而不需要施加外部的機(jī)械力。11.一種制備導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的方法，所述方法包括：將權(quán)利要求1所述的組合物施涂于適合的基底以使適合的組件結(jié)合至所述基底，然后燒結(jié)所述組合物。12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述適合的組件為裸芯片。13.權(quán)利要求11所述的方法，其...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：S·彼德拉什，L·托伊尼森，A·亨肯斯，K·W·周，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：漢高股份有限及兩合公司，漢高知識(shí)產(chǎn)權(quán)控股有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：德國(guó);DE