金属间化合物纳米颗粒低温融合及与金属薄膜的连接原理

A principle of a novel kind of interconnection method has been came up with. It is not only compatible with conventional technology, but also able to survive long under high temperature. The interconnection material was nano particles of Sn-X (X:Cu, Ni, Ag) IMCs (intermetallic compounds), and the process temperature was only as low as Sn based solders. However, the working temperature can be much higher than that, which makes it a potential novel interconnection method in the packaging of 3D packages, power devices, high temperature components and so on. Therefore, the basic scientific problems about the low temperature sintering of the nano IMC particles, the interconnection mechanism between the nano IMC particles and the metal thin film should be settled; the mechanical behavior of the interface generated by the sintering ought to be observed; the interaction mechanism between the power resource and the nano IMC particles must be understood.

提出一种兼容现有工艺又能实现高温服役性能的新连接方法的原理。该方法以Sn－X（X：Cu、Ni、Ag等）的金属间化合物纳米粉粒为连接材料，在接近甚至低于现有Sn基合金软钎料熔点的工艺温度下迅速实现与金属薄膜材料的冶金连接，但服役温度可接近甚至高于该工艺温度，为三维封装、功率器件、高温器件等的封装制造提供新型的互连技术。为此，研究纳米IMC颗粒之间的低温烧结、纳米IMC颗粒与金属薄膜连接中的基本科学问题；研究由纳米IMC为材料连接后构成的连接界面、接头的力学行为及其成因；研究连接能源与纳米IMC颗粒相互作用的机理。

宽禁带半导体功率器件封装需要低温连接/高温服役、高导热、高导电、高可靠性的新型互连材料与技术，本课题提出以合金化纳米颗粒为连接材料的新型连接方法，重点研究了Cu6Sn5 IMC合金纳米颗粒、AgCu超固溶合金纳米颗粒，以及纳米结构化薄膜与纳米银低温烧结机理，取得了如下重要结果：.提出的“纳米金属间化合物焊膏及其制备方法”、“一种采用纳米金属间化合物颗粒制备低温互连高温服役接头的方法”获得国家发明专利授权，金属间化合物纳米颗粒低温融合的理论研究结果发表在著名学术期刊SMALL上，并三次应邀在国际学术会议上做特邀报告。发现纳米Cu6Sn5 IMC颗粒低温融合时不仅存在Ostwald熟化、合并烧结，而且出现取向翻转、晶向重排合并等现象。观察到冷却过程中Cu6Sn5晶体发生了固相相变，形成纳米晶，使烧结组织具备超塑性。研究了纳米颗粒与薄膜间的烧结机理，发现了其过程要迟滞于纳米颗粒之间的连接。.纳米颗粒与薄膜的烧结迟滞的原因在于薄膜极其平坦，其表面能远远小于纳米颗粒。由此提出“一种低温快速连接活化金属表面与微纳米连接材料的方法”并获得国家发明专利授权，其理论研究的结果发表在“ACS Applied Materials and Interfaces”上。当平坦薄膜表面进行纳米结构化后，附加表面能及化学势大幅度提高，有效表面积大幅度增加，导致连接速度增加、连接时间缩短、连接强度提高5倍。还发现，纳米结构化的表面促进了金属之间的扩散，使界面形成了真正的冶金连接。.为了进一步获得与纳米银、纳米铜性能相近，又克服其严重问题的新型材料，提出“一种制备Ag-Cu-Ti纳米合金焊料的方法”并获得国家发明专利，理论研究获得两项重要结果：超固溶AgCu纳米颗粒、优异抗电化学迁移性能的互连材料。由于Ag、Cu在固相下相互固溶度很小，大多数学者认为包覆结构或者双相结构容易获得而难得到均匀混合结构[Science,2016]，我们的结果证明通过分散剂的类型可以调控AgCu混合纳米颗粒的结构，获得了Ag、Cu均匀分布的AgCu超固溶合金纳米颗粒，并对其在烧结过程中的相演变过程进行了详尽研究。发现AgCu超固溶纳米粉体烧结后具备高于Ag5倍以上的抗电化学迁移能力。.以上研究结果不仅获得实际应用，重要的是丰富了纳米材料特别是纳米合金烧结、连接的理论，提出的新材料、新方法对于高温封装有极大的推动作用