檸檬酸鹽涂層納米銀漿Cu-Cu 接頭在空氣中的高溫和高機(jī)械性能

以SiC 和GaN 為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)在大幅提高電子設(shè)備性能的同時(shí)也大幅提高了電子器件的工作溫度，導(dǎo)致對(duì)器件的封裝與互連性能提出了更高的要求。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的含鉛焊料因危害生態(tài)環(huán)境和人體健康逐漸被廢棄。目前，Sn-Ag 系、Sn-Zn 系和Sn-Cu 系等無(wú)鉛軟焊料是電子行業(yè)中最常用的多級(jí)封裝和互連材料。然而，它們的電氣和熱性能不足，不能滿足高溫應(yīng)用時(shí)的要求，無(wú)法完全替代電子產(chǎn)品中的含鉛焊料。因此，電子行業(yè)迫切需要新的封裝和金屬互連材料來(lái)滿足器件散熱、可靠性和綠色環(huán)保等需求。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)張墅野副教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型納米銀漿料焊膏，采用檸檬酸鹽作為包覆層，避免了普通納米銀焊膏對(duì)額外金屬化和特定氣氛的要求，可以在無(wú)鍍層、空氣環(huán)境和較低溫度下進(jìn)行可靠的Cu-Cu 鍵合處理。采用硼氫化鈉作為還原劑，硝酸銀作為銀源制備了穩(wěn)定性優(yōu)良的納米銀顆粒，檸檬酸鹽包覆的銀顆粒的平均尺寸為4.76 nm，將乙二醇、去離子水以及納米銀粉以1:1:8 的質(zhì)量比配制成焊膏。

研究發(fā)現(xiàn)，納米銀的洗滌次數(shù)、連接溫度、保溫時(shí)間以及連接壓力對(duì)于接頭的微觀形貌乃至力學(xué)性能都有影響。納米銀洗滌次數(shù)的增加導(dǎo)致接頭致密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，而連接溫度、保溫時(shí)間以及連接壓力的增加均會(huì)使得接頭的致密性提升。因此，力學(xué)性能隨著納米銀洗滌次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，而隨著連接溫度、保溫時(shí)間以及連接壓力的增加，接頭的力學(xué)性能則呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

使用檸檬酸鹽涂層納米銀漿互連的Cu-Cu 接頭在150 ℃和250 ℃下的長(zhǎng)期老化實(shí)驗(yàn)中都表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，表明使用這種新型焊膏在空氣條件下制造的三維集成電路具有良好的高溫可靠性。

焊膏與襯底之間牢固的界面鍵合機(jī)制如圖1 所示。通常在空氣中燒結(jié)Cu 襯底，導(dǎo)致其表面易被氧化成CuO 和Cu2O。然而，其自身的還原作用和在熱分解過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣，使得涂覆在銀納米顆粒表面的檸檬酸鹽將銅氧化物還原為銅。在燒結(jié)過(guò)程中就實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu 基板表面的清潔，被還原后的Cu 表面表現(xiàn)出高清潔度，且呈現(xiàn)為納米顆粒的形式，這有助于其擴(kuò)散。最后，在一定溫度下，Cu 和Ag 相互擴(kuò)散形成堅(jiān)固的界面層。

圖1 牢固界面鍵合機(jī)制

團(tuán)隊(duì)目前還致力于有機(jī)電致發(fā)光器件、交流電致發(fā)光器件、有機(jī)薄膜晶體管等柔性電子器件的開(kāi)發(fā)及其光燒結(jié)柔性封裝技術(shù)研究，同時(shí)也聚焦應(yīng)用多種元素原料以實(shí)現(xiàn)高熵合金的低溫軟釬焊的研究，相關(guān)成果有望大幅提高市面上大部分電子產(chǎn)品的封裝性能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。（朱鵬宇 張墅野）

原始文獻(xiàn)：

WANG Q,ZHANG S Y,LIN T S,et al.Highly mechanical and high-temperature properties of Cu-Cu joints using citrate-coated nanosized Ag paste in air[J].Progress in Natural Science:Materials International,2021,31(1):129-140.