多层金属纳米和微米颗粒制造技术

烧结粉末，其中至少一部分组成该烧结粉末的颗粒包含：包含第一材料的芯；和至少局部地涂覆该芯的壳体，该壳体包含具有比该第一材料低的氧化电势的第二材料。

Multilayer metal nanoparticles and micrometer particles

The sintered powder, wherein at least a portion of the composition of the sintered powder particles include: comprising a first material core; and the shell at least partially coating the core, the shell contains oxidation potential than the first material low of second materials.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及烧结粉末及其制作方法。对于具有高电要求和热要求的替代性的不含铅的模片固定材料的需求在当今时代中上升。高导电环氧树脂和传统的铅基焊料膏仍然广泛地用于许多应用中。但是这些材料的主要缺点是它们在高温操作中的限制，其导致焊料接头疲劳和可靠性问题如金属间化合物生长。全面地研究了纳米结构的金属作为用于许多半导体互连挑战的替代。在近些年广泛地调查了金属性纳米颗粒，因为它们具有令人感兴趣的显著区别于块体材料的性质。纳米颗粒具有高表面能，其使纳米颗粒能够在与块体材料对比更低的加工温度下进行颗粒聚结。远低于纳米级金属的熔点的烧结温度对于半导体封装而言具有大的优势。在低温下加工器件能避免初始的模片水平的应力和潜在的电路损坏。由于若干元素(包括金、钯、银和铜)的纳米颗粒在光电子领域或半导体领域作为传导材料的潜在应用，已经很好地研究了它们。贵金属纳米颗粒例如银和金，由于它们的高热导率和优异的不氧化性质，在过去的几年已经是迄今最活跃的研究对象。然而，它们的高成本阻止它们普遍的实际应用。所以具有适当的热稳定性和传导率的非贵金属纳米颗粒的使用在今天的电子世界中具有大的兴趣。铜纳米颗粒，由于其相对低的成本和高电导率，呈现用于取代在传导材料中使用的贵金属的高潜力。利用铜纳米颗粒的主要问题是它们在环境条件下氧化的固有趋势。在电子工业中，半导体器件至衬底的互连是器件封装的重要部分。目前使用于模片固定和互连的主要材料为低熔点焊料，由于低操作温度其不是理想的。由于银的高电性能和热性能，银膏一般用在微电子封装中。然而，银的高成本限制其使用。本专利技术寻求解决至少一些与现有技术有关的问题或至少提供对其商业上可接受的替代解决方案。在第一方面，本专利技术提供烧结粉末，其中至少一部分组成该烧结粉末的颗粒包含：包含第一材料的芯；和至少局部地涂覆该芯的壳体，该壳体包含具有比该第一材料低的氧化电势的第二材料。除非清楚地相反指出，如这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或者一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出作为优选或有益的特征可以与任何其他指出作为优选或有益的特征组合。如这里使用的术语“烧结粉末”可以涵盖能够形成烧结接头的粉末。通过放置在待接合的两个工件之间的金属颗粒的原子扩散来形成烧结接头。该烧结粉末可以包含规则形状的颗粒(例如球)或不规则形状的颗粒(例如须、板、棒或片)。如这里使用的术语“封端剂”可以涵盖当存在于金属颗粒的表面上时减少该金属颗粒的聚集、使在粉末生产过程中的颗粒大小控制成为可能并且降低颗粒的表面氧化或其他污染的物质。如这里使用的术语“金属”可以涵盖合金。如这里使用的术语“D95”可以涵盖在累积分布中在95％处最长颗粒尺寸的值。当颗粒为球时，该最长尺寸将是球的直径。可以由动态光散射方法或激光散射方法确定D95值。如这里使用的术语“D50”可以涵盖在累积分布中在50％处最长颗粒尺寸的值。当颗粒为球时，该最长尺寸将是球的直径。可以由动态光散射方法或激光散射方法确定D50值。本专利技术人出人意料地发现，与现有技术的烧结粉末对比，本专利技术的烧结粉末可以呈现高电导率和热导率以及表面氧化的低敏感性。该烧结粉末还可以含有低成本材料，由此降低它们的制造成本。该第一材料可以呈现高电导率和热导率。该第一材料典型地呈现在20℃下大于5×106S/cm、更典型地在20℃下大于5×107S/cm的热导率。因此，这样的高传导率可以转移至使用该烧结粉末形成的烧结接头。该第一材料可以是金属或非金属。该第一材料(其典型地组成烧结粉末的大部分)可以是低成本材料例如铜。因此，可以降低制造该烧结粉末的成本。有益地，该第二材料具有比该第一材料低的氧化电势。因此，该壳体可以起到降低该第一材料的氧化的作用，由此避免该烧结粉末的劣化。优选地，该第二材料的氧化电势比该第一材料的氧化电势小至少0.2V，更优选地比该第一材料的氧化电势小至少0.5V。该第一材料典型地具有大于-0.4V、优选地大于-0.2V的氧化电势。该第二材料典型地具有小于-0.5V、优选地小于-0.7V的氧化电势。该第二材料可以是金属或非金属。典型地，该第二材料是贵金属。该第二材料典型地组成该烧结粉末的仅一小部分，典型地小于50重量％的烧结粉末，更典型地小于25重量％的烧结粉末。结果是即使如果该第二材料是高成本(例如贵金属，例如银)，则在没有显著地增加该烧结粉末制造成本的情况下其可以呈现降低的劣化。至少一部分组成该烧结粉末的颗粒具有上面描述的“芯-壳”结构。优选地，大部分的组成该烧结粉末的颗粒具有芯-壳结构，更优选地基本上全部的组成该烧结粉末的颗粒具有芯-壳结构。在一些优选实施方案中，该烧结粉末基本上不含仅由该第一材料形成的颗粒和/或仅由该第二材料形成的颗粒。该壳体至少局部地涂覆该芯。典型地，该壳体基本上涂覆该芯，更典型地完整涂覆该芯(即涂层是连续的)。本专利技术人出人意料地发现可以在低温下且仅施加非常低的压力(典型地基本上没有压力)来烧结如这里描述的烧结粉末。结果是在工件之间使用该烧结粉末的烧结接头的形成可以在对该工件降低的损坏的情况下发生。另外，因为不需要施加高压力，所以简化了烧结接头的形成，并且烧结接头的形成可以是更容易自动化的。该烧结粉末优选地还包含至少局部地涂覆该壳体的封端剂。使用封端剂可以帮助减少颗粒的聚集。这样的聚集是不利的，因为其可以增加该烧结粉末的烧结温度。因此，使用封端剂使在较低温度下工件之间的烧结接头的形成成为可能，并且因此可以帮助降低由暴露至高烧结温度引起的对工件的损坏。另外，使用封端剂可以帮助避免该第一材料和/或第二材料的劣化，例如由材料暴露至空气引起的损坏。该封端剂可以是无机的和/或有机的。有机封端剂的示例包括聚合物和配位体。该封端剂优选地包含以下的一种或多种：胺、醇、脂肪酸、硫醇和表面活性剂。这样的封端剂可以与该第二材料形成弱的结合。因此可以降低对于破坏该结合所需要的温度，这可以帮助降低烧结温度。在一个优选实施方案中，该封端剂包含油酸盐(例如油酸钠)和/或辛胺。在此实施方案中，该金属颗粒可以基本上涂覆有该封端剂，或完整涂覆有封端剂。增加该封端剂在金属颗粒上的覆盖率可以帮助进一步降低该金属颗粒的聚集，并且因此进一步降低烧结温度。另外，可以用该封端剂涂覆大多数的金属颗粒，或可以用封端剂涂覆基本上全部的金属颗粒。该烧结粉末优选地包含至多15重量％封端剂，更优选地从0.1至5重量％封端剂，甚至更优选地约0.5重量％封端剂。就这一点而言使用的术语“重量％”是基于该烧结粉末的总重量。如果该烧结粉末包含大于15重量％封端剂，则在烧结前可以需要较高的温度来熔化该封端剂。此外，可以增加在产生的烧结接头中含有的有机物的量。如果该烧结粉末包含小于0.1重量％封端剂，则该封端剂可以不充分地覆盖该金属的表面。这可以导致颗粒聚集的增加，并且因此导致烧结温度的增加。该第一材料优选地包含以下的一种或多种：铜、镍、锡、钼、钨、铝、石墨烯、氮化硼、碳化硼和氮化铝。这样的材料可以呈现低成本和高电导率的有利组合。更优选地，该第一材料包含以下的一种或多种：铜、镍、锡和钼。除了低成本以及实用性以外，铜、镍、锡和钼的使用还可以降低在使用该烧结粉末形成的烧结接头的界面处相邻材料的CTE(热膨胀系数)失配的本文档来自技高网...

【技术保护点】
烧结粉末，其中至少一部分组成该烧结粉末的颗粒包含：包含第一材料的芯；和至少局部地涂覆该芯的壳体，该壳体包含具有比该第一材料低的氧化电势的第二材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.23 US 62/015,8451.烧结粉末，其中至少一部分组成该烧结粉末的颗粒包含：包含第一材料的芯；和至少局部地涂覆该芯的壳体，该壳体包含具有比该第一材料低的氧化电势的第二材料。2.权利要求1的烧结粉末，还包含至少局部地涂覆该壳体的封端剂。3.权利要求2的烧结粉末，其中该封端剂包含以下的一种或多种：胺、醇、脂肪酸、硫醇和表面活性剂。4.权利要求3的烧结粉末，其中该封端剂包含油酸盐和/或辛胺。5.前述权利要求任一项的烧结粉末，其中该第一材料包含以下的一种或多种：铜、镍、锡、钼、钨、铝、石墨烯、氮化硼、碳化硼和氮化铝，优选地以下的一种或多种：铜、镍、锡和钼。6.前述权利要求任一项的烧结粉末，其中该第二材料包含以下的一种或多种：银金、钯和铂。7.前述权利要求任一项的烧结粉末，其中该第一材料包含铜并且该第二材料包含银。8.前述权利要求任一项的烧结粉末，其中该颗粒具有小于100nm的D95，优选地从1nm至30nm的D50。9.权利要求1至7任一项的烧结粉末，其中该颗粒具有从0.1至10μm的D95。10.前述权利要求任一项的烧结粉末，其中该壳体包含该第二材料的层和与该第二材料不同的第三材料的层。11.烧结接头，其包含权利要求1至10任一项的烧结粉末。12.LED、MEMS、OLED或PV电池，其包含权利要求11的烧结接头。13.烧结膏，其包含：权利要求1至10任一项的烧结粉末；黏合剂；溶剂；和任选的流变改进剂和/或有机银化合物和/或活化剂和/或表面活性剂和/或润湿剂和/或过氧化氢或有机过氧化物。14.权利要求13的烧结膏，其中该黏合剂包含环氧基树脂。15.权利要求13或权利要求14的烧结膏，其中该溶剂包含单萜醇和/或二醇和/或二醇醚，优选地萜品醇和/或二乙二醇单正丁基醚。16.权利要求13至15任一项的烧结膏，其包含：从1至15重量％黏合剂；和/或从1至30重量％溶剂；和/或至多5重量％流变改进剂；和/或至多10重量％有机银化合物；和/或至多2重量％活化剂；和/或至多6重量％表面活性剂；和/或至多2重量％过氧化氢或有机过氧化物。17.烧结膏，其包含：权利要求1至10任一项的烧结粉末；有机银化合物；溶剂；和任选的活化剂和/或流变改进剂和/或表面活性剂。18.权利要求17的烧结膏，其包含：从1至30重量％溶剂；和/或至多50重量％有机银化合物，优选地从0.1至25重量％，更优选地从0.1至10重量％，甚至更优选地从0.1至9重量％；和/或至多5重量％流变改进剂；和/或至多2重量％活化剂；和/或至多6重量％表面活性剂；和/或至多2重量％过氧化氢或有机过氧化物。19.权利要求13至18任一项的烧结膏，其中该有机银化合物包含以下的一种或多种：草酸银、乳酸银、琥珀酸银、新癸酸银、柠檬酸银和硬脂酸银。20.权利要求13至19任一项的烧结膏，其还包含：脂肪酸，优选以下的一种或多种：短链或长链(C＝2至30)羧酸或二羧酸或羟基羧酸，更优选月桂酸、硬脂酸、新癸酸、硬脂酸、油酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、己二酸、马来酸、柠檬酸或乳酸；或短链或长链(C...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·格沙尔，R·钱德兰，S·穆克赫伊，S·萨尔卡，R·潘德赫，B·辛格，
申请(专利权)人：阿尔法金属公司，
类型：发明
国别省市：美国;US