通过多步瞬态液相焊接工艺制备Ag-In-Sn复合焊料接头，以实现低界面热阻和优异的机械性能

《Materials Advances》：Multi-step transient liquid phase bonding of Ag-In-Sn composite solders joints for low interfacial thermal resistance and enhanced mechanical integrity

Ag-In-Sn复合焊料通过TLP键合工艺实现界面结合行为、剪切强度（最大30.63 MPa）、热阻（最低0.9 mm2·K/W）与微观结构演变的协同优化。当In-Sn复合粉末添加量达20 wt%时，Ag颗粒充分浸润形成Ag?In/Ag?Sn增强相，孔隙率降至4.7%，同时Ag-In-Sn固溶体相的析出导致热阻呈现非单调变化趋势。研究揭示了低熔点In-Sn相促进Ag致密化与高熔点Ag相形成增强相的竞争机制。

　　随着电子设备的不断发展，尤其是功率半导体器件的广泛应用，对封装材料的性能提出了越来越高的要求。传统封装材料在高温、高电流等恶劣环境下往往难以满足长期可靠性需求，导致设备故障率上升。因此，开发具有优异热导性和温度稳定性的新型封装材料成为当前研究的热点。在这一背景下，银基焊料因其出色的导电性和导热性，被认为是一种具有潜力的替代材料。然而，银基焊料在实际应用中也面临诸多挑战，如高温烧结需求、银微粒的高表面能导致的聚集问题等。为了解决这些问题，研究者们探索了多种方法，其中瞬态液相（TLP）技术因其能够实现低温焊接、提高焊接质量而受到广泛关注。

TLP技术的核心在于利用低熔点金属与高熔点金属的混合，通过低熔点金属的熔化和反应，促进高熔点金属的微观结构变化，从而实现牢固的焊接。这一过程不仅能够降低焊接温度，还能增强焊接接头的热稳定性，这对于高可靠性电子封装和功率模块的应用至关重要。然而，尽管TLP技术在多个领域取得了显著进展，关于银基系统的研究仍显不足。特别是银-铟-锡（Ag-In-Sn）复合焊料，因其低共晶温度（120℃）和高反应性，被视为TLP技术的理想候选材料。但其高延展性使得在机械粉碎过程中难以形成稳定的预合金粉末，从而影响焊接过程的可控性和稳定性。

为了克服这一限制，研究者们采取了物理混合的方法，将元素铟和锡粉末按原子比52:48进行混合，再与不同比例的银微粒（AgMPs）结合，形成银-铟-锡复合粉末。这种复合粉末的使用，使得TLP焊接能够在较低的温度下（如250℃）进行，同时有效提高焊接接头的机械强度和热可靠性。实验结果显示，当银-铟-锡复合粉末添加量达到20 wt%时，焊接接头表现出最低的热阻（0.9 mm2·K/W）和最高的剪切强度（30.63 MPa）。这一现象表明，银-铟-锡复合粉末的添加对焊接接头的性能具有显著影响，其作用机制涉及多个因素的相互作用。

首先，热阻的非单调性变化与银-铟-锡复合粉末含量密切相关。随着添加量的增加，热阻首先呈现上升趋势，随后下降，最终再次上升。这一变化模式是由增强的微观结构致密化与低热导率的银-铟-锡复合粉末相的增加共同作用的结果。在较低的添加量下，银-铟-锡复合粉末有助于提高焊接接头的致密化程度，从而降低热阻。然而，当添加量超过一定阈值后，银-铟-锡复合粉末的大量引入会形成更多的低热导率相，导致热阻的增加。这种复杂的相互作用关系表明，优化银-铟-锡复合粉末的添加量对于实现理想的热可靠性至关重要。

另一方面，剪切强度的增加则主要归因于改善的颗粒间结合力。银-铟-锡复合粉末的熔化和渗透有助于填充颗粒间的空隙，从而增强焊接接头的结构完整性。同时，形成的强化金属间化合物（IMCs）如Ag?In和Ag?Sn进一步提高了剪切强度。然而，当致密化达到一定极限后，过量的银-铟-锡复合粉末会导致形成大量的置换固溶体Ag?(In,Sn)，从而显著降低位错滑移的临界剪切应力。这种软化效应最终导致塑性变形阈值的降低，进而影响焊接接头的机械性能。

这些发现不仅揭示了银基TLP焊接接头性能变化的微观机制，也为优化材料设计和提升焊接质量提供了重要的理论依据。通过深入研究银-铟-锡复合粉末在不同添加量下的作用，可以更好地理解焊接过程中微观结构演变与宏观性能之间的关系。这将有助于开发更高效的封装材料，满足功率半导体器件对高可靠性、高导热性和高温度稳定性的需求。

在材料与方法部分，研究使用了三种粉末：银粉（粒径1 μm，纯度99.95%，由长沙TIJO金属材料有限公司提供）、铟粉（粒径10 μm，纯度99.9%，由北京Ryubon新材料技术有限公司提供）和锡粉（粒径5 μm，纯度99.9%，由北京Ryubon新材料技术有限公司提供）。铟和锡粉末按原子比52:48进行混合，这一比例接近其共晶组成。随后，与不同比例的银微粒结合，形成银-铟-锡复合粉末。通过TLP技术，在250℃的条件下对这些复合粉末进行焊接，研究其对焊接接头性能的影响。

在焊接接头截面形貌分析中，通过扫描电镜（SEM）观察不同银-铟-锡复合粉末添加量下的焊接界面，并测量相应的孔隙率。实验结果表明，当添加量为2 wt%时，银微粒仍能清晰辨认，说明熔化相的生成不足以完全填充颗粒间的空隙，导致较高的孔隙率（20.2%）。随着添加量的增加，熔化相的渗透能力增强，孔隙率逐渐降低。当添加量达到5 wt%时，焊接界面的孔隙率显著减少，表明银-铟-锡复合粉末的加入有效促进了颗粒间的结合，提高了焊接质量。这一现象进一步验证了银-铟-锡复合粉末在TLP焊接过程中的重要作用。

此外，焊接接头的热可靠性与剪切强度之间的关系也值得关注。热阻的降低意味着焊接接头能够更有效地传递热量，从而减少热应力的积累，提高设备的长期运行稳定性。而剪切强度的提高则直接关系到焊接接头的机械性能，确保在高温、高压等环境下焊接接头不会发生断裂或失效。因此，通过优化银-铟-锡复合粉末的添加量，可以在一定程度上平衡热可靠性与机械强度，实现更理想的焊接效果。

在结论部分，研究总结了银基TLP焊接接头性能变化的主要机制。首先，TLP过程通过银-铟-锡复合粉末的熔化和渗透，有效实现了银微粒的低温焊接，这一过程主要依赖于低熔点铟-锡组分的熔化及其后续的反应。其次，随着银-铟-锡复合粉末添加量的增加，焊接接头的热阻呈现非单调性变化，而剪切强度则先增加后降低。这一变化模式表明，材料的微观结构演变与宏观性能之间存在复杂的相互作用关系。最后，研究指出，优化银-铟-锡复合粉末的添加量对于提升焊接接头的热可靠性和机械强度具有重要意义，同时也为未来高可靠性电子封装和功率模块的应用提供了理论支持。

通过这一研究，不仅为银基TLP焊接技术的发展提供了新的思路，也为功率半导体器件的封装材料选择提供了科学依据。随着电子设备对性能要求的不断提高，开发具有优异导电性、导热性和温度稳定性的封装材料将成为未来研究的重要方向。银基TLP焊接技术的进一步优化，有望在实际应用中发挥更大的作用，推动电子行业向更高可靠性、更高效率的方向发展。