综述：微米和纳米级铜烧结浆料：材料、工艺与应用

这篇综述系统总结了微米/纳米铜烧结浆料（Cu sintering pastes）在先进电子互连领域的最新进展，重点探讨了烧结机制（如表面扩散、晶界迁移）、材料创新（表面功能化、核壳结构）和工艺优化（低温/无压/空气烧结技术），并展望了其在柔性电子、6G通信和功率封装中的应用前景。文章为开发高导电（>104 S·m-1）、高强度（>50 MPa）的铜互连材料提供了理论指导和技术路线。

　　

烧结机制概述

金属颗粒系统的烧结过程涉及六种扩散机制，可分为非致密化（表面扩散、晶格扩散、气相传输）和致密化（晶界扩散、位错塑性流动）两类。根据吉布斯-汤姆逊方程，曲率半径（r）与表面能（σ）的关系ΔG=2σ/r驱动原子从凸面（高化学势）向凹面迁移。对于铜颗粒，尺寸效应显著降低纳米颗粒的熔点——当粒径从100 nm降至2-3 nm时，表面熔化温度从块体铜的1083.4°C降至接近室温，这为超快速低温烧结提供了理论基础。

微米级铜烧结浆料的创新

微米铜颗粒（1-20 μm）因烧结驱动力不足，常需高温（250-350°C）、高压（5-40 MPa）和还原气氛（H₂/N₂）。通过表面改性（如甲酸处理生成Cu甲酸盐壳层）、双峰粒径分布（微米/纳米颗粒混合）或非球形颗粒（枝晶状/片状铜）可提升烧结活性。例如，2.89 μm半枝晶铜颗粒在300°C/5 MPa/空气条件下60秒内实现29 MPa的接头强度，其多孔结构促进氧化物还原气体的渗透。

纳米级铜烧结浆料的突破

化学还原法合成的铜纳米颗粒（5-100 nm）通过配体工程（如油胺/OAM、乙二胺/EDA）实现抗氧化。实验表明，经五次洗涤的OAM修饰铜纳米颗粒（20.7±3.7 nm）在空气中储存4周未氧化，烧结后电阻率低至6.15 μΩ·cm。双配体策略（EDA+OAM）使烧结电极在350°C高温下保持稳定，应用于3×3电容压力传感器时展现优异的热循环性能。

工艺优化关键

纳米铜浆料的烧结性能受温度、压力、时间和气氛四维参数调控。在甲酸气氛中，Cu₂O可被原位还原（Cu₂O+HCOOH→Cu+CO₂+H₂O），使30 nm铜颗粒在260°C/10 MPa下获得51.7 MPa的接头强度。而闪光灯烧结（能量密度5-12.5 J·cm^-2，脉冲10 ms）可实现20 ms内完全致密化，特别适合柔性基板上的图案化制造。

应用场景拓展

在功率电子封装领域，铜浆料通过微纳混合设计替代高铅焊料，如Cu@Sn核壳颗粒实现低温连接（200°C）与高温服役（>250°C）的平衡。在柔性电子中，甲酸钠处理的铜浆料（150 nm）印刷RFID天线识别距离达20.3 m。未来，随着6G通信和电动汽车发展，铜烧结技术将在热管理模块、三维集成等领域持续释放潜力。