纳米银浆烧结在(111)取向纳米孪晶铜膜上的微观结构演变与键合机制研究

为解决高功率电子器件封装中传统多晶铜(pc-Cu)键合强度不足、孔隙率高的问题，研究人员通过对比(111)取向纳米孪晶铜(nt-Cu)与pc-Cu在纳米银浆(Ag paste)烧结中的界面行为，发现nt-Cu/nt-Cu接头在280℃氩气中烧结后键合强度达24.0±2.0 MPa，孔隙率仅0.45±0.23%，显著优于pc-Cu接头。通过EBSD和TEM揭示了Ag晶粒富集、固溶区形成及莫尔条纹(Moiré fringes)增强机制，为新一代器件互连技术提供了新思路。

　　

随着第四代电子器件和新能源汽车、新能源电池等领域的快速发展，高功率电子器件的封装可靠性面临严峻挑战。传统多晶铜(pc-Cu)基板在高温环境下易氧化、孔隙率高，导致键合强度下降。纳米银浆(Ag paste)虽具有优异的导电和热稳定性，但其与pc-Cu的界面性能仍受限。近年来，(111)取向纳米孪晶铜(nt-Cu)因其高机械强度、抗氧化性和低孔隙率特性成为研究热点，但其与纳米银浆的键合机制尚不明确。

为解决这一问题，广东聚力科技有限公司联合国内高校团队在《Applied Surface Science》发表研究，系统比较了nt-Cu/nt-Cu与pc-Cu/pc-Cu接头在不同烧结条件下的性能差异。研究采用扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等技术，分析了界面微观结构演变。

材料与表征
研究使用PL-400CP纳米银浆，在50 μm厚(111)nt-Cu和pc-Cu薄膜上进行烧结实验。通过X射线衍射(XRD)和SEM-EDX(能量色散X射线光谱)分析相组成与元素分布。

烧结条件优化
实验发现，nt-Cu/nt-Cu接头在280℃氩气中烧结性能最优，键合强度(24.0±2.0 MPa)比pc-Cu接头(19.8±1.4 MPa)提高21%，孔隙率降至0.45±0.23%(pc-Cu为3.91±1.03%)。高温下nt-Cu的抗氧化性显著抑制了CuO/Cu₂O生成。

界面机制解析
EBSD显示nt-Cu-Ag界面存在Ag晶粒的取向富集，而TEM观察到固溶区(solid solution region)和退火孪晶(annealing twins)形成的莫尔条纹(Moiré fringes)，这些结构通过抑制空位扩散增强了界面结合力。

结论与意义
该研究首次从微观尺度揭示了nt-Cu与纳米银浆的键合优势：(1)高密度孪晶界作为空位陷阱降低孔隙率；(2)取向一致性促进Ag晶粒有序排列；(3)固溶区和莫尔条纹的协同效应提升机械强度。研究成果为高功率器件封装提供了低成本、高性能的互连方案，推动nt-Cu在第三代半导体封装中的应用。

（注：全文数据与结论均引自原文，未添加非原文信息）