计算机设计球片混合铜浆实现多样化金属化表面的高性能无压烧结连接

本文推荐一种计算机辅助设计的球片混合铜(Cu)浆料，通过多模态非球形颗粒堆叠模型优化，在250°C无压条件下实现42.51 MPa的高强度连接，电阻率低至12.13 μΩ·cm。该研究突破传统双峰Cu浆料对高温高压的依赖，兼容Ni/Ag/Au金属化表面，为大功率电子封装(WBG)提供低成本解决方案，显著推动宽禁带半导体(SiC/GaN)器件的可靠封装技术发展。

　　

ABSTRACT

尽管双峰铜(Cu)浆料能平衡烧结驱动力与材料稳定性，但缺乏优化的颗粒堆叠模型使其仍需高温高压实现致密化。研究通过计算机模拟技术开发多模态非球形颗粒堆叠模型，制备出具有高堆叠密度、增强烧结驱动力和低收缩率的球片混合Cu浆料。优化后的双峰比例在250°C无压烧结15分钟后实现42.51 MPa的接头剪切强度，且与Ni/Ag/Au金属化表面兼容。

1 Introduction

宽禁带半导体(WBG)如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)因其高击穿电场、高热导率和高电子迁移率，适用于高温高频场景。传统无铅焊料因熔点低(<200°C)、热导率差(~40 W·m^?1·K^?1)无法满足需求，而银(Ag)烧结技术成本高昂且存在柯肯达尔空洞等问题。铜(Cu)因成本仅为银的1%且具备相似热电性能成为理想替代，但纳米Cu易氧化，微米Cu则烧结驱动力不足。

2 Experimental

采用亚微米Cu球(平均粒径0.2 μm)与微米Cu片(长轴2.5 μm，厚度0.3 μm)混合，以聚乙二醇300(PEG300)为溶剂制备浆料。通过蒙特卡洛算法模拟颗粒堆叠，发现球片比例6:4时堆叠密度达峰值0.7。烧结实验在氮气氛围中进行，采用剪切测试与四探针法评估性能。

3 Results and Discussion

颗粒设计验证：TEM显示Cu颗粒表面包覆有机层，XRD证实无氧化物峰。TGA显示PEG300在230°C分解时伴随放热峰，对应Cu颗粒烧结起始温度。
性能优化：球片比例6:4的浆料在280°C烧结30分钟后电阻率降至6.2 μΩ·cm，孔隙率7.47%。250°C无压烧结15分钟即可获得42.51 MPa强度，断裂面呈现韧窝结构。
界面机制：原位XRD显示Cu晶粒在250°C快速生长至45.81 nm，界面形成大量烧结颈。与Ni/Ag/Au金属化表面的连接强度分别为17.44/22.78/20.68 MPa，280°C时Ni界面强度提升至45.39 MPa。
大尺寸应用：4×4 mm²芯片连接强度为19.66 MPa，残余PEG300(4.9%)可能抑制氧化但影响致密化。

4 Conclusion

1. 计算机模型指导的球片混合浆料实现60-70 wt%亚微米球比例下的高堆叠密度(0.7)；
2. 250°C无压烧结获得42.51 MPa强度与12.13 μΩ·cm电阻率；
3. 兼容Ni/Ag/Au金属化，Ni界面在280°C强度达45.39 MPa；
4. 适用于4×4 mm²大尺寸芯片连接。该技术为高功率电子封装提供突破性解决方案。