Nano-joining Mechanisms and Joint Reliability of Die Attachment Using Bimodal-sized Cu Nanoparticle Paste Capable of Low-temperature Pressureless Sintering

摘要: 利用一步化学还原法合成具有粒径双峰分布的铜纳米颗粒,并制备可在低温无压条件下烧结的纳米铜膏。铜纳米颗粒由平均粒径160 nm的大颗粒及其被平均粒径9 nm小颗粒包围的团聚体构成;采用乳酸基复合包覆剂不仅能有效防止铜颗粒氧化,还对纳米颗粒烧结过程有促进作用。280℃下无压烧结后的铜膏烧结接头剪切强度高达65 MPa,究其原因主要是烧结过程中形成的大尺寸块体铜颗粒的强化作用,以及铜膏烧结基体与上、下基板界面间形成了致密无缺陷的牢固冶金互连。铜膏烧结接头的形成主要由"颗粒-颗粒"间纳连接及"颗粒-基板"界面的纳连接而实现,前者以表面活性能高的小尺寸铜纳米颗粒为"桥梁"将大尺寸铜颗粒连接成致密块体铜,而后者借助乳酸铜高温下分解得到的铜纳米颗粒与基板间的互扩散和自扩散最终在界面形成连续且致密的纳连接层。烧结接头在空气中250℃时效1 000 h后,铜膏烧结基体与界面处虽出现空洞,但仍具有高强度(大于56 MPa),表明铜膏烧结接头有较好的抗高温热氧化性能。