纳米级Ag-Cu过饱和固溶体的绿色制备及其低温低压互连应用研究

为解决第三代宽禁带半导体器件高温互连材料性能不足的问题，研究人员通过火花烧蚀法成功制备出纳米级Ag-Cu过饱和固溶体（28 atom% Cu），其平均粒径19.5 nm，在260°C/2 MPa下烧结后剪切强度达60.74 MPa，电阻率低至2.67×10-7 Ω·m。该研究突破了热力学不相溶限制，为绿色制造高性能互连材料提供了新策略。

　　

随着第三代宽禁带半导体器件在高压高温环境中的广泛应用，传统互连材料已无法满足需求。纳米银(Ag)和铜(Cu)虽具有低温烧结优势，但分别面临离子迁移、氧化敏感等问题。合金化虽能改善性能，但现有机械混合、核壳结构等方法存在均匀性差、工艺复杂等缺陷，且难以突破Ag-Cu热力学不相溶限制。

福州某研究团队在《Journal of Materials Science》发表研究，采用火花烧蚀法（spark ablation）一步制备出纳米级Ag-Cu过饱和固溶体。该方法利用20000 K高温等离子体快速冷却（~10⁸ K/s），获得平均粒径19.5 nm、含28 atom% Cu的均匀颗粒，其晶格间距（0.229-0.232 nm）介于纯Ag/Cu之间，证实固溶体形成。通过260°C/2 MPa/30 min烧结，Cu原子从Ag基体析出并扩散至晶界，形成双相结构，使剪切强度（60.74 MPa）和电阻率（2.67×10^-7 Ω·m）优于纯Ag烧结体。

关键方法

1. 火花烧蚀法合成：使用Φ3 mm银铜电极靶材，在惰性气体中产生等离子体并快速冷凝
2. 烧结性能测试：T2红铜基板上进行低温压力烧结
3. 结构表征：SEM/TEM分析粒径分布与晶格畸变，XPS验证氧化稳定性

研究结果
Characterization of the fabricated metastable nanoscale Ag–Cu supersaturated solid solutions
SEM显示颗粒形貌均匀（图2a），粒径分布窄（19.5±3.2 nm）。HRTEM观测到晶格间距收缩（0.229 nm vs 纯Ag 0.2359 nm），证实Cu原子固溶引起晶格畸变。XPS证明60天空气暴露后Cu 2p峰无氧化特征峰。

Conclusions
烧结过程中固溶体晶格畸变能与表面自由能协同作用，促进Cu原子重排至晶界，形成强化相。该方法无需化学还原剂，突破传统溶解度限制，为绿色制造高性能互连材料提供新途径。

该研究的重要意义在于：① 开发出环境友好的固态合成工艺；② 通过亚稳态设计实现性能突破；③ 为宽禁带半导体封装提供低成本解决方案。研究获得国家自然科学基金（62174039）等项目支持，相关数据可依申请公开。