随着功率半导体器件芯片工作温度的不断提高,对高温芯片互连材料的需求愈加迫切。纳米铜膏作为一种可替代纳米银膏的新型芯片互连材料,因其优良的导电和导热性能及低廉的价格而受到广泛关注。最近十多年来,电子封装领域的科研工作者和工程师们针对铜膏进行了许多研究,但目前仍然存在一些亟需解决的瓶颈问题,如纳米铜颗粒易氧化、铜膏烧结条件严苛、铜膏互连接头的强度较低且可靠性不足等。本论文研究以制备一种可在低温下无压烧结的高性能纳米铜膏为目标,利用化学还原法制备出两种不同粒径分布的纳米铜颗粒,比较其用于制备铜膏及形成互连接头时的力学性能;随后分析包覆剂乳酸在纳米铜颗粒烧结过程中的作用,并运用Taguchi(田口)方法对互连接头的制备工艺进行优化,以进一步提高接头的互连强度;最后获得了可在低温无压条件下烧结制备且具有高强度和高可靠性的纳米铜膏互连接头。研究结果表明,通过改变包覆剂的用量和反应液的滴加速率可以制备出颗粒尺寸在4-110 nm范围内连续分布的纳米铜颗粒(P-NPs),以及粒径呈现双峰分布的纳米铜(B-NPs),后者中平均粒径为9 nm的小颗粒铜包裹着平均粒径为160 nm大颗粒铜。采用B-NPs制备的铜膏烧结时由于可形成高强度的块状铜而呈现出更好的互连性能,并且块状铜的形成过程表明B-NPs双峰分布的包裹结构在铜膏烧结过程中具有遗传性。研究结果还显示,纳米铜颗粒表面的包覆剂乳酸能在较低温度下与Cu2O反应,并且反应产物会促进后续烧结过程,这同时解决了铜膏低温无压烧结中的两大难点,即有机包覆剂的难分解和颗粒表面氧化物对烧结性能的恶化作用;在氮气气氛中于280?C进行无压烧结10 min后,获得的模拟芯片互连的剪切强度高达65.2 MPa,互连接头中镀银铜片/烧结铜层界面处300 nm厚的银铜互扩散层和烧结体中块状铜的存在是造成接头高强度的主要原因;纳米铜颗粒双峰分布的包裹结构和铜膏有机载体中乙二醇与丙三醇的同时存在是确保纳米铜膏在烧结过程中出现块状铜组织的充分条件。纳米铜颗粒在8?C下放置90天及纳米铜膏在-40?C下放置30天后,所制备的互连接头的强度高于60 MPa;互连接头在200?C下保温600 h进行高温储存试验,互连强度仅降低7%;表明此种纳米铜膏在高温功率器件的芯片互连上有很大的应用潜力。