功率器件封装新突破：纳米铜烧结连接技术

引言

随着第三代半导体材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的快速发展，功率器件的性能要求日益提高。传统的封装材料已无法满足功率器件在高功率密度和高温环境下可靠服役的需求。纳米铜烧结连接技术因其低温连接、高温服役、优异的导热和导电性能，以及相对较低的成本，在功率器件封装研究领域备受关注。本文将综述纳米铜烧结连接技术的研究进展，从纳米铜焊膏的制备、影响烧结连接接头性能的因素以及接头的可靠性三个方面进行详细探讨，旨在促进低成本的纳米铜烧结连接技术在高性能、高可靠功率器件封装中的应用。

一、纳米铜颗粒及焊膏制备

1.1纳米铜颗粒制备

纳米铜颗粒的制备是实现低温烧结的关键之一。常用的制备方法可分为化学方法、物理方法和生物方法。化学方法如溶胶-凝胶法、水热法、化学还原法等，具有操作简单、成本低、产量大等优点，但可能引入杂质。物理方法如机械球磨法、溅射法、激光蒸发法等，能获得高纯度的纳米铜颗粒，但设备成本高、工艺复杂。生物方法则利用微生物或植物提取物作为还原剂，具有环保、可持续等优点，但尚处于研究阶段。

1.2纳米铜颗粒氧化行为及影响

纳米铜颗粒由于表面积大，极易与空气中的氧气发生反应，形成氧化铜层。氧化铜层的存在不仅会影响纳米铜颗粒的烧结性能，还会导致导电性能和导热性能的下降。因此，如何防止纳米铜颗粒的氧化是制备高性能纳米铜焊膏的关键之一。

1.3纳米铜焊膏的防氧化措施

为了防止纳米铜颗粒的氧化，研究人员采取了多种措施。一种常见的方法是在纳米铜颗粒表面包覆一层抗氧化物质，如碳层、硅层等。另一种方法是在纳米铜焊膏中加入抗氧化剂，如有机酸、胺类等。此外，通过优化制备工艺，如真空干燥、惰性气体保护等，也能有效减少纳米铜颗粒的氧化。

1.4纳米铜焊膏的自还原特性

部分研究表明，纳米铜焊膏在高温烧结过程中具有一定的自还原特性。即使在制备过程中纳米铜颗粒表面形成了一定厚度的氧化铜层，在高温下氧化铜也能与焊膏中的还原剂发生反应，重新生成金属铜。这种自还原特性有助于提高纳米铜焊膏的烧结性能和可靠性。

二、纳米铜烧结连接接头性能影响因素

2.1烧结连接工艺参数

烧结连接工艺参数对纳米铜烧结连接接头的性能有重要影响。主要包括烧结温度、保温时间、升温速率和烧结压力等。研究表明，适当的烧结温度和保温时间可以促进纳米铜颗粒的扩散和结合，提高接头的强度和可靠性。升温速率过快可能导致烧结不均匀，影响接头性能。而烧结压力则有助于排除烧结过程中的气孔和缺陷，提高接头的致密度和导电性能。

2.2烧结连接气氛

烧结连接气氛也是影响纳米铜烧结连接接头性能的重要因素。在惰性气体（如氩气、氮气）保护下进行烧结，可以有效防止纳米铜颗粒的氧化，提高接头的导电性能和导热性能。此外，部分研究表明，在氢气或含有还原性气体的混合气氛下进行烧结，可以进一步促进纳米铜颗粒的自还原过程，提高接头的强度和可靠性。

2.3表面金属化层

在功率器件封装中，芯片和基板表面往往需要进行金属化处理，以提高烧结连接接头的性能。常用的金属化层材料包括钛（Ti）、镍（Ni）、铜（Cu）等。金属化层不仅可以提供良好的润湿性和附着力，还能有效防止基材与焊膏之间的化学反应，提高接头的可靠性和稳定性。

三、纳米铜烧结连接接头可靠性

3.1热老化试验

热老化试验是评估纳米铜烧结连接接头可靠性的重要手段之一。通过在不同温度下对接头进行长时间加热，观察接头的形貌变化、电阻变化等，可以评估接头的热稳定性和可靠性。研究表明，经过适当热老化处理的纳米铜烧结连接接头，其强度和导电性能均能得到显著提高。

3.2温度循环试验

温度循环试验是模拟功率器件在实际工作过程中温度变化的重要手段。通过在不同温度下进行循环加热和冷却，观察接头的形貌变化、电阻变化等，可以评估接头的热循环稳定性和可靠性。研究表明，纳米铜烧结连接接头在温度循环试验中表现出良好的稳定性和可靠性。

3.3热冲击试验

热冲击试验是评估纳米铜烧结连接接头抗热冲击性能的重要手段。通过在短时间内对接头进行急剧加热和冷却，观察接头的形貌变化、电阻变化等，可以评估接头的热冲击稳定性和可靠性。研究表明，纳米铜烧结连接接头在热冲击试验中表现出较高的抗热冲击性能。

3.4功率循环试验

功率循环试验是模拟功率器件在实际工作过程中功率变化的重要手段。通过在不同功率下进行循环加热和冷却，观察接头的形貌变化、电阻变化等，可以评估接头的功率循环稳定性和可靠性。研究表明，纳米铜烧结连接接头在功率循环试验中表现出良好的稳定性和可靠性。

四、总结与展望

纳米铜烧结连接技术作为一种新型的功率器件封装技术，具有低温连接、高温服役、优异的导热和导电性能以及相对较低的成本等优势。近年来，随着第三代半导体材料的快速发展，纳米铜烧结连接技术在功率器件封装领域的应用前景越来越广阔。然而，纳米铜颗粒的氧化行为、烧结连接工艺参数、烧结连接气氛以及表面金属化层等因素对纳米铜烧结连接接头性能的影响仍需进一步研究。未来，随着纳米技术的不断进步和制备工艺的优化，纳米铜烧结连接技术有望得到进一步完善和提升，为功率器件封装领域带来更多的创新和突破。

参考文献

由于本文为综述性质，未直接引用具体的研究文献。读者可根据本文所述的研究方向和进展，查阅相关领域的最新研究成果和文献，以获取更详细和深入的信息。