一、背景

近年来，第3代半导体连接材料领域发展迅猛。其市场年增长率超过21%，国内市场规模已达到58亿元。由于目前国内市场连接材料的80%都需要进口，所以国家政策在十四五规划等文件中都提出大力支持第三代半导体连接材料的发展。

截至2023年我国高端焊膏的进口额度达46.4亿元。目前国产焊膏只能受用于小功率芯片的封装。外国企业占据了绝大部分的焊膏市场，高端焊膏的研发受到挤压。因此国产自主化高端焊膏的研发刻不容缓。

“大功率芯片封装用Cu纳米焊膏”系列成果是电子封装技术的应用，将芯片与整个系统连接在一起的互连材料在维持整个系统稳定工作中起到至关重要的作用。

二、依靠主体

陕西工业职业技术大学拥有3个国家级实训基地和8个省级实训基地，这些设施为科研工作的转化提供了良好的条件和支持‌。项目负责人积极参与国内外科研合作和交流，与多个机构和企业建立了合作关系，推动科研成果的转化和应用。此外，该项目负责人长期致力于应用化工技术研发，特别是在焊膏的准备上积累了大量的产业化经验。

三、主要做法

（一）解决焊膏空气中氧化的问题

由于纳米材料的尺寸效应，铜镍合金纳米颗粒的熔点将随着纳米颗粒尺寸的减小而降低，从而能够在远低于块体铜熔点的温度下烧结成型，但铜镍合金纳米颗粒极易氧化，为解决由铜镍合金纳米颗粒氧化引起的一系列问题，“大功率芯片封装用Cu纳米焊膏”系列成果提出了一种利用甲酸去除铜镍合金纳米颗粒表面氧化物，利用壳包核结构使得能够长期稳定的在非真空下保存，图1为本项目所研发的核包壳结构图。

图1 核包壳结构

（二）解决压力烧结问题

聚乙二醇及C18醇可以改变铜镍纳米颗粒形状，由不规则形状变为立方体，如图2所示，提高了焊膏的致密度，实现了无压烧结。

图2 铜镍纳米颗粒改变

“大功率芯片封装用Cu纳米焊膏”项目系列成果与市面上其他焊膏相比，具有熔点高，剪切强度高，总体性价比好，可以代替进口焊膏等优势。图3为我们团队研发的焊膏。

图3 本项目所研制焊膏

四、主要成果

通过服务平台了解市场、企业需求，加强“企研”合作，与广东中实金属有限公司达成横向合作协议，金额9.9万元；同时积极参加各级各类比赛，斩获第二届陕西省秦创原高价值专利大赛咸阳赛区三等奖、中国国际大学生创新大赛（2023）中国家级铜奖、第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛，国家级铜奖、第六届中华职业教育创新创业大赛，国家级三等奖、第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛，省级金奖、第九届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛，省级金奖、第十四届“挑战杯”陕西省大学生课外学术竞赛，省级一等奖。

五、经验总结

（一）关键要素

多学科融合：焊膏的研发涉及化学、材料科学和半导体工艺等多学科领域。成功的关键在于不同领域专家的紧密合作，化学合成、材料表征与半导体工艺团队紧密配合，才能快速选代，解决研发过程中的各种挑战。

工艺的精准控制：从纳米颗粒形状的改变到核包壳工艺实现，每个环节都要求非常高的精细化工艺控制，细微的参数调整都会对最终性能产生显著影响。通过系统的实验与数据分析，最终确保大规模生产的稳定性。

及时的反馈：焊膏的研发与封装工艺的精准结合需要反馈机制的及时性与有效性。每一次实验的结果能否及时反馈到材料成分的设计和工艺的调整是研发是否成功的关键因素

（二）不足之处

焊膏性能的一致性：尽管取得了较好的实验室成果，但在大规模生产过程中，各个批次的焊膏性能仍然会有差别，比如无压烧结的温度、时间、湿度等都会有波动。

生产成本控制：焊膏的研发和生产成本仍然较高，限制了其在大规模应用中的经济性。降低生产成本，提高生产效率仍是未来研发的重点。

（三）未来举措

通过改变纳米颗粒形状和核包壳技术进一步提高焊膏的抗氧化性和无压烧结问题。尤其在批量生产过程，继续探索更加有效的工艺使焊膏长时间在空气中保存和无压烧结对于降低生产成本并提高产量至关重要。研究更加环保的配方和工艺流程，减少对环境有害的化学物质，确保材料的绿色生产符合未来的可持续发展要求。加强与半导体封装企业的合作，通过行业合作，进行大规模生产验证并探索新的应用场景。

六、推广应用

目前，团队掌握着国内铜镍合金纳米焊膏的核心技术,指导教师长期从事纳米焊膏领域的科研、设计和产业化工作，申请专利9项，已得到国内无铅焊料著名企业“昆山市宏嘉焊锡制造有限公司”成果应用证明。即证明该项技术在制备焊膏方面有较大的使用价值，使铜镍合金纳米焊膏真正实现了“低温连接，高温服役”的价值，从而有效地促进了第三代半导体产业的快速发展。

本团队所研制的铜镍合金纳米焊膏经试用证明其性能优异，且成本较低，性价比较高。因此，陆续与西安中正航空科技有限公司、陕西正之泽科技开发有限公司、兴平市炜晔制造有限公司、陕西中机赛德智能科技有限公司、昆 山市宏嘉焊锡制造有限公司及广东中实金属有限公司签订购销意向合同。

在陕西工业职业技术大学持续深化科研体制改革，推动产学研合作的背景下，大功率芯片封装用Cu纳米焊膏正在逐步进行科研成果转化。