面向封装互连的可控铜-银双金属核壳纳米结构及低温无压烧结机理

The development of the 3rd generation semiconductor power electronics, requiring for the extreme application condition at higher working temperatures （>220℃）and voltages （>10kV）, calls for a new packaging interconnect material to meet the typical requirements of low temperature sintering and high temperature working. For the new challenges in packaging interconnect materials, a new bi-metallic Cu-Ag core-shell nanoparticles (NPs) is proposed for the low temperature and pressureless sintering packaging interconnect. The project is to propose a new concept of relative complex stability and to study its impact on homogeneous Ag coating on Cu NPs, based on the Ag nucleation and crystal growth behaviors from the point of view in electrochemical thermal and kinetic dynamics. As a result, a new bi-metallic Cu-Ag core-shell NPs is prepared with homogeneous Ag coating at controlled dense thickness. In addition, based on multi-physics fields and corresponding mathematical equations, a constitutive molecular kinetic model is established to simulate the solid-solid inter-diffusion of Cu-Ag core-shell NPs in the sintering, in comparison with the practical sintering results. The project, in the end, will provide the solid theoretical and practical fundament in the good selection of packaging interconnect materials for high reliability in extreme worse working condition of power electronics.

第三代半导体功率器件及其发展要求越来越高的服役温度和电压，对封装互连工艺及互连材料提出了“常态无压互连，极端条件服役”的新技术挑战。项目将针对功率器件封装互连材料在高温(>220℃)、高压（>10kV）极端服役条件下的可靠性难题，开展新型铜-银双金属核壳纳米结构可控制备及低温无压互连技术的研究。本项目依据金属沉积的电化学热力学和动力学原理，创新性提出铜-银络合相对稳定性概念。同时，根据络合物的相对稳定性对银壳层金属成核及沉积行为的影响机制探讨高致密银壳包覆纳米铜的形成条件和机理，从而达到银壳致密结构的可控制备。另外，基于多物理场多尺度耦合的分子动力学模型和物理表征手段，揭示不同烧结过程中双金属铜-银核壳纳米材料铜、银原子间固-固交互扩散的烧结机理及互连可靠性，最终实现半导体器件在极端工况下的高可靠性服役，为新型互连材料在第三代半导体器件极端工况下的高可靠性服役奠定理论和实践基础。

本项目针对功率器件封装互连材料在高温(>220C)、高压（>10kV）极端服役条件下的可靠性难题，开展了新型可控铜-银双金属核壳纳米结构可控制备及低温无压互连技术的研究。依据金属沉积的电化学热力学和动力学原理，提出了铜-银络合相对稳定性概念。根据络合物的相对稳定性对银壳层金属成核及沉积行为的影响机制，揭示了高致密银壳包覆纳米铜的形成条件和机理，实现了包覆致密的铜-银双金属核壳纳米颗粒的可控制备。基于微观热动力学模型和物理表征手段，揭示了烧结过程中颗粒间的烧结颈生长机理及互连可靠性。研究结果为高质量铜-银双金属核壳纳米材料的可控制备奠定了理论和实践基础，为半导体器件在极端工况下的高可靠性服役提供了可行的材料解决方案。本项目已取得预期的研究成果，全面地完成了预期的考核指标。项目在国内外核心期刊共发表研究论文14篇，其中，SCI 收录 5篇，EI 收录的包括会议文章共9篇，申请中国发明专利12件，授权中国发明专利10件。该项目执行过程中，共培养硕士研究生7名。项目负责人参与主办了2020年第21届电子封装技术国际会议（21st International Conference on Electronics Packaging Technology，ICEPT 2020）一次。成员参加国际会议9人次，荣获最佳学生论文证书1次。