【摘 要】
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纳米铜介质材料凭借其优良的导电导热性能、良好的抗电迁移性能、较低的经济成本等特点,成为了极具前景的新一代芯片键合材料。然而,由于铜纳米颗粒极易氧化,键合过程中仍存在温度过高、时间过长、压力过大、接头易氧化以及孔隙率过高等问题,这些不足很大程度上限制了铜纳米颗粒在电子封装领域内的应用。镓基液态金属在室温下具有流动性的特点,可以在低温下填充键合接头处的孔隙,并与其周围的铜形成稳定的金属间化合物,从而有
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纳米铜介质材料凭借其优良的导电导热性能、良好的抗电迁移性能、较低的经济成本等特点,成为了极具前景的新一代芯片键合材料。然而,由于铜纳米颗粒极易氧化,键合过程中仍存在温度过高、时间过长、压力过大、接头易氧化以及孔隙率过高等问题,这些不足很大程度上限制了铜纳米颗粒在电子封装领域内的应用。镓基液态金属在室温下具有流动性的特点,可以在低温下填充键合接头处的孔隙,并与其周围的铜形成稳定的金属间化合物,从而有望解决Cu-Cu键合接头孔隙率过高与易氧化的缺陷,提升接头的键合性能。但目前基于镓基液态金属强化Cu-Cu接头键合性能的研究较少。因此,本研究对镓基液态金属与纳米铜颗粒在低温下的键合规律进行探索,为镓基液态金属增强Cu-Cu键合提供理论参考依据。本研究采用机械搅拌法,通过调控共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比来制备共晶镓铟复合微米铜颗粒,并将纳米铜颗粒与复合微米铜颗粒按照9/1的质量配比制备成共晶镓铟增强纳/微铜混合焊膏。通过对混合焊膏低温烧结制备的Cu-Cu键合接头性能的研究,探明不同含量共晶镓铟对接头性能的增强规律。同时通过恒温老化实验,结合微观组织分析,研究共晶镓铟增强Cu-Cu键合接头的老化性能。本研究的主要结论有以下几点:（1）在室温下,共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比为60/40时,微米铜颗粒表面被共晶镓铟完全包裹并在其表面形成Cu Ga2,制备出的共晶镓铟增强纳/微铜混合焊膏在烧结温度为260℃和无压条件下形成的键合结构的致密度最高。相比于传统的纳/微铜混合焊膏,共晶镓铟增强纳/微铜混合焊膏烧结特性更好,提升了Cu-Cu接头在低温和低压环境下键合层的致密度。（2）共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比为60/40时,在烧结温度260℃和烧结压力为5 MPa真空环境下烧结20 min,所制备的Cu-Cu键合接头有最好的键合性能,其平均剪切强度与平均电阻率分别为27.63 MPa和6.15μΩ·cm。由于共晶镓铟复合微米铜颗粒上存在少量的游离态液态金属Ga,能够很好地填充不同粒径铜颗粒间的缝隙,并生成金属间化合物Cu Ga2,从而提升了接头的键合强度,降低了键合层电阻率。（3）恒温老化环境下,共晶镓铟添加量对Cu-Cu键合接头的老化性能有显著的影响。经空气中恒温老化后,一方面键合结构受到严重的氧化作用,烧结组织变得疏松,键合性能衰减,另一方面键合结构中多余的游离态液态金属Ga与纳米铜键合结构形成金属间化合物Cu Ga2。从而填充纳/微铜键合结构中的孔隙,提升键合层的致密度并提高键合性能。共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比为60/40时,老化后Cu-Cu键合样品的平均剪切强度由27.63 MPa降至25.8 MPa,电阻率由6.15μΩ·cm升至7.15μΩ·cm,热导率由118.23 W·m-1·K-1降至101.69 W·m-1·K-1。
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