用于碳化硅功率模块封装的纳米银烧结接头的互连机制与增强行为：基于EBSD和纳米压痕技术的联合研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Interconnection mechanism and strengthening behavior of nano-silver sintered joints for silicon carbide power module packaging: a combined EBSD and nanoindentation study

SiC die attach层压力辅助与无辅助烧结的显微结构、力学性能及强化机制研究。通过EBSD和纳米压痕技术对比发现，压力辅助区域（Z2、Z3）孔隙率显著降低（5.14%-3.69% vs Z1的18.14%），再结晶率提高至89.6%-91.3%，同时位错强化主导机制中统计储存位错密度（SSD）在Z3达2.98×1015 m-2，是Z1的10.3倍，导致硬度提升3倍（0.373→1.832 GPa）。研究表明SSD密度与硬度呈正相关（R2>0.9），而晶界位错（GND）贡献度不足15%。动态再结晶（CDRX/DDRX）促进晶粒重组，压力下晶界迁移率提升42%，纳米银浆烧结层中铜织构（Cube）和S织构比例变化是影响Schmid因子分布的关键因素。研究为低压力/无压力烧结工艺优化提供了微观机理支撑。

　　在当今全球气候变化和可持续发展日益受到重视的背景下，半导体行业正在寻求更高效、更环保的制造工艺，以提升产品的性能和可靠性。其中，宽禁带和超宽禁带半导体材料的应用成为一种趋势，它们不仅具备比传统硅基器件更高的热导率和更大的带隙宽度，还能够在极端环境下保持良好的性能表现。随着对这些材料需求的增加，如何确保其在封装过程中的可靠性成为研究重点。传统的焊料封装方式由于熔点较低、热膨胀系数与SiC器件不匹配以及热导率不足，导致在高频率开关应用中面临可靠性挑战。因此，发展更先进的烧结技术，如纳米银烧结，成为提高器件封装可靠性的重要手段。

在当前的工业实践中，压力辅助银烧结已成为一种主流的SiC器件连接技术。然而，这种技术在烧结过程中对材料在Z方向的结构完整性提出了较高的要求，同时高温高压环境也可能对SiC芯片造成损伤。因此，研究如何在降低甚至消除对压力依赖的同时，保持烧结层的可靠性，成为当前的重要课题。为了解决这些问题，研究者们开始关注低压力和无压力烧结技术，并希望通过这些技术的优化来提升烧结层的性能。

银纳米颗粒的烧结过程涉及多种微观机制，如扩散和再结晶。已有研究表明，在160°C至250°C的温度范围内，表面扩散是主要的烧结机制，而在300°C至350°C时，体积扩散占据主导地位。此外，烧结强度与颈部尺寸与银颗粒尺寸的比值的平方存在正相关关系。然而，这些研究主要基于银纳米颗粒的球形和各向同性特性，未能充分考虑实际应用中可能存在的各向异性。为此，一些研究者通过制备三角形银纳米片，探讨了其在烧结过程中可能形成的桥接效应，并发现该效应在一定程度上促进了烧结过程。

在低温度烧结过程中，涉及微米和亚微米级的银颗粒，其烧结机制仍以扩散为主。然而，与传统的银颗粒烧结相比，无压力烧结过程中由于烧结驱动力较小，可能会限制烧结层的机械性能，导致工艺稳定性下降。因此，研究银烧结过程中的连接机制和强化机制对于推动无压力烧结技术的发展具有重要意义。

为了更深入地理解银烧结层的连接和强化机制，本文通过电子背散射衍射（EBSD）和纳米压痕技术对烧结层的微观结构和机械性能进行了详细分析。研究发现，在无压力烧结区域（Z1），再结晶晶粒的比例仅为71.7%，显著低于压力辅助区域（Z2和Z3）中的约90%。这表明，压力对烧结层的再结晶程度具有显著影响。此外，Z1区域的孔隙率高达18.14%，接近工业应用中常见的20%接受阈值，而Z2和Z3区域的孔隙率则分别降低至5.14%和3.69%，显示出压力在烧结过程中对材料致密化的重要作用。

研究还发现，Z1区域的晶粒尺寸和Z2、Z3区域的晶粒尺寸差异不大，平均晶粒尺寸在0.368 μm至0.377 μm之间。然而，Z2和Z3区域中晶粒尺寸超过0.7 μm的比例显著高于Z1区域，这表明压力可能促进了晶粒的局部生长。通过统计分析，Z1、Z2和Z3区域的晶粒尺寸分布均符合正态分布，且R-squared值均较高，说明数据具有较高的可靠性。

此外，研究发现Z1区域的晶粒内偏转角（GOS）值为0.230° ± 0.21°，而Z2和Z3区域的GOS值分别为0.158° ± 0.148°和0.11° ± 0.09°，表明压力辅助烧结区域的再结晶程度更高。这些结果表明，压力在烧结过程中不仅促进了晶粒的再结晶，还提高了晶粒的均匀性，从而改善了烧结层的机械性能。

在纳米压痕测试中，研究发现Z1区域的硬度为0.373 GPa，显著低于Z2（0.745 GPa）和Z3（1.832 GPa）区域的硬度。这一差异表明，压力辅助烧结显著提升了烧结层的硬度。同时，Z1区域的硬度与Z2和Z3区域的硬度相比，存在约16%至20.7%的差异，进一步支持了研究压力辅助烧结区域强化机制的必要性。

通过将P-h曲线转换为应力-应变曲线，研究者们能够更全面地分析烧结层的机械性能。结果表明，Z1区域的屈服强度约为124.6 MPa，而Z2和Z3区域的屈服强度分别为264.6 MPa和636.5 MPa。这表明，压力辅助烧结显著提升了烧结层的屈服强度。同时，Z1区域的硬度与屈服强度比值为2.99，Z2区域为2.82，Z3区域为2.88，这些数值与Tabor的经验关系相符，说明纳米压痕测试能够有效用于评估烧结层的机械性能。

进一步的分析显示，虽然晶粒细化在金属材料中是一种重要的强化机制，但其对烧结层屈服强度的影响相对较小。相比之下，统计存储位错（SSD）密度在压力辅助烧结区域的贡献更为显著。Z1区域的SSD密度为2.88 × 10^14 m^-2，而Z2和Z3区域的SSD密度分别为4.74 × 10^14 m^-2和2.88 × 10^15 m^-2。这些结果表明，SSD密度是影响烧结层强度的主要因素。

在烧结过程中，晶粒内部的位错密度和分布对材料的机械性能有重要影响。研究发现，Z1区域的几何必要位错（GND）密度高于Z2和Z3区域，但这一差异不足以解释机械性能的显著变化。相比之下，SSD密度在压力辅助烧结区域的显著增加，成为提升烧结层强度的关键因素。这表明，在无压力烧结过程中，通过增加SSD密度，可以有效提升材料的机械性能。

此外，研究还发现，晶粒的取向对机械性能的影响较小。虽然不同区域的晶粒取向存在一定的差异，但整体来看，这些差异并未对机械性能产生显著影响。相反，压力辅助烧结过程中形成的晶体结构和位错分布对材料的强化起着决定性作用。

综上所述，本文的研究表明，银烧结层的强化机制主要依赖于统计存储位错（SSD）密度的增加，而压力在烧结过程中对材料的致密化和晶粒的再结晶具有显著影响。通过结合EBSD和纳米压痕技术，研究者们能够深入理解烧结层的微观结构特征和机械性能之间的关系，从而为无压力烧结技术的优化提供理论依据和实验支持。这些发现不仅有助于提升银烧结层的可靠性，还为未来研究和开发更高效、更环保的烧结技术提供了新的方向。