表面驱动应力辅助超细晶银多孔片快速大面积键合技术在功率电子封装中的应用

推荐：为解决SiC功率器件高温封装中Ag烧结工艺复杂、耗时长及大面积键合可靠性差等问题，研究人员开发了一种基于超细晶结构银多孔片（Ag porous sheet）的表面应力驱动快速键合技术。该技术通过热压法制备高位错密度Ag多孔片，经表面抛光产生超细晶层和残余应力，在250°C/1min条件下实现SiC/Cu接头82.1MPa剪切强度，30mm×30mm大面积Cu-Cu键合仅需3分钟，界面结合率超85%。该研究为功率电子封装提供了高效可靠的固相键合新方案。

　　

随着宽禁带半导体（WBG）如碳化硅（SiC）在高温、高功率电子器件中的广泛应用，传统焊料和银浆烧结技术面临严峻挑战。SiC器件工作温度可超过250°C，而传统Sn基焊料仅能承受<150°C，Ag纳米浆料虽具有优异导热性（>300 W/(m K)），但存在有机溶剂挥发慢（>30分钟）、工艺复杂、大面积键合易产生孔隙等问题。如何实现高效可靠的大面积固相键合，成为功率电子封装领域亟待突破的瓶颈。

日本大阪大学产业科学研究所（SANKEN）的Chuantong Chen团队在《Journal of Materials Science》发表研究，提出了一种革命性的表面应力驱动快速键合技术。研究人员采用高能球磨制备的微米级Ag片（2.0-3.4μm）为原料，通过300°C/20MPa热压3分钟获得银多孔片（孔隙率12.2%），再经机械抛光形成2μm厚超细晶层（晶粒尺寸0.3μm）。结合电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）和三维有限元分析（FEA）等技术，系统研究了表面应力对键合机制的调控作用。

Ag多孔片制备与表征

热压后的Ag多孔片表面经抛光后粗糙度从228nm降至40nm，形成致密超细晶层（孔隙率3.7%）。X射线应力测试显示抛光引入-21.3MPa残余压应力，加热后应力释放驱动异常晶粒生长，250°C/1min时表面形成数百纳米级丘状突起（hillock）。

SiC/Cu芯片键合性能

在250°C/20MPa条件下，1分钟即可实现SiC/Ag多孔片/Cu结构的75.6%界面结合率，剪切强度达82.1MPa。EBSD分析显示界面处Ag溅射层呈现纳米孪晶柱状结构，而多孔片超细晶层通过高角度晶界（HAGBs）促进扩散。TEM证实界面形成单晶Ag连接，无金属间化合物（IMC）生成。

大面积Cu-Cu键合突破

30mm×30mm Cu基板键合在250°C/3min条件下实现47.9MPa平均剪切强度，界面结合率>85%。通过建立键合性能参数δ=Q×S/E（Q为剪切强度，S为面积，E为外供能量），对比显示该技术性能（δ=2.874）远超传统Ag纳米浆料（δ=0.114-1.21）。

该研究创新性地利用表面塑性变形诱导的超细晶结构和残余应力，突破了固相键合对长时间高温退火的依赖。相比传统工艺，该技术省略浆料印刷步骤，避免溶剂挥发缺陷，为SiC功率模块封装提供了兼具高效率（1-3分钟）、高可靠性（无IMC）和大面积适用性的解决方案。未来通过优化抛光均匀性，有望进一步推动其在电动汽车、智能电网等高温高功率场景的应用。