摘要
随着电力电子器件向高密度集成、高性能高可靠性方向发展，作为核心部件的功率器件，其性能直接影响到电力电子系统的应用。受限于硅基功率器件的物理极限，而基于宽禁带半导体材料的功率器件可以在350℃以上环境下持续运行，能够满足电子电力系统的发展需求。然而传统的芯片互连材料如无铅焊料等无法承受较高的工作温度，纳米金属（银、铜等）烧结材料可满足低温烧结高温服役的特点成为新的技术发展方向。与纳米银烧结材料的高成本、抗电化学迁移性弱的特点相比，纳米铜烧结材料，因具有高的热导率、电导率、抗电迁移能力，价格相较于银低得多，成为研究的热点，但同时，如何提升铜纳米的抗氧化性和在空气气氛中进行低温烧结成为纳米铜烧结材料开发的技术瓶颈，基于此，本论文研究以实现铜纳米颗粒的抗氧化性以及在空气气氛中低温高性能烧结为目标，主要开展了以下研究工作: 提出一种先氧化后还原的策略对平均粒径为200nm商业铜纳米颗粒进行结构和表面重整，获得具有分级结构的正辛胺包覆的抗氧化铜纳米颗粒。发现经过不同氧化温度氧化再还原的铜颗粒所制备的铜铜接头强度均比未经氧化的铜颗粒高。最佳氧化重整温度为180℃,重整后的铜纳米出现大量50nm左右的小铜纳米颗粒，可以进一步增强其烧结动力。 基于上述获得的最佳重整条件的铜纳米颗粒，制备纳米铜膏，并对烧结温度、外部施加压力和烧结时间三个典型工艺参数进行探究。在250℃的烧结温度，10MPa的外部压力下，该铜纳米膏只需5min的时间即可获得高质量高强度互连接头，接头强度高达64.5MPa。又研究了纳米铜膏在烧结过程中的氧化状况，纳米铜膏在玻璃片上250℃烧结后依然保持块体铜的颜色，表明制备的铜膏体系具有优异的抗氧化性。铜纳米颗粒在-20℃下存储60天以及纳米铜膏在-20℃下存储30天后，所制备的互连接头剪切强度仍然高于60MPa。以上表明，通过本论文的工作，可获得存储可靠性优异的铜纳米颗粒和纳米铜膏，以及低成本、工艺简单的烧结互连工艺,对铜膏在功率芯片互连材料产业上的应用具有积极的促进作用。
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