银纳米多孔低温烧结键合在镀银铜基板上的界面微结构演化与高温可靠性研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Lowest sinterable temperature Ag nanoporous bonding at 145–175 °C on Ag-plated Cu and interfacial microstructural degradation under 250 °C aging: Correlation with strength and fracture energy

本研究针对宽禁带功率半导体模块在高温（250°C）环境下银纳米多孔烧结接头的可靠性问题，系统研究了在145–175°C低温烧结条件下银纳米多孔片与镀银铜基板间的界面退化行为。研究发现，短期热老化可增强烧结颈生长并提高剪切强度，但500小时以上老化会导致CuxO层形成与Kirkendall孔洞，引发界面剥离和力学性能急剧下降。该研究为高温功率电子封装材料设计与寿命预测提供了重要理论依据。

　　

随着电动汽车和可再生能源系统的快速发展，宽禁带半导体（如碳化硅SiC）功率模块因其高效、耐高温的特性成为研究热点。然而，这些模块在高温高压环境下的可靠连接问题亟待解决。传统的硅基半导体连接技术已难以满足需求，特别是在结温接近250°C的严苛条件下，界面材料的稳定性和耐久性成为制约模块寿命的关键因素。

银（Ag）烧结技术因其优异的导热性和机械可靠性被广泛应用于功率模块的芯片贴装。与传统的银浆烧结相比，银纳米多孔片能减少材料浪费、简化工艺流程，但其在直接镀银铜基板上的高温可靠性尚不明确。尤其值得注意的是，铜基板在高温空气中易氧化生成Cu_xO，导致界面脆化、导电性下降，并引发Kirkendall孔洞等缺陷，最终造成界面分层和连接失效。尽管特斯拉Model III等产品已采用该技术，但对其在更高结温条件下的长期性能缺乏系统评估。

为此，研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》上发表论文，系统研究了银纳米多孔片在145–175°C低温烧结于镀银铜基板后的微观结构演变和力学性能变化，重点分析了250°C热老化过程中的界面退化机制。

本研究采用商用银纳米多孔片在145°C和175°C、10MPa压力下烧结10分钟制备接头样品，并在250°C空气环境中进行最长1000小时的热老化实验。通过扫描电子显微镜（SEM）观察截面形貌和孔洞结构，利用电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向和应变分布，采用X射线衍射（XRD）鉴定界面氧化物相组成，并通过剪切试验机测量接头的力学强度和断裂能。

研究结果显示，热老化初期（125–250小时）银烧结颈显著生长，接头致密化程度提高，剪切强度从初始20.15MPa（145°C烧结）和42.99MPa（175°C烧结）分别增至45MPa和63.5MPa。同时，界面连接率从16–37%提升至77%以上，表明短期热老化有助于烧结过程的进一步进行。

然而，延长老化时间（500–1000小时）后，铜基板界面处形成连续的Cu_xO层（以Cu₂O为主），厚度从2μm增至4.5μm，并伴随Kirkendall孔洞的生成和 coalescence（聚集）。这些孔洞最终导致Cu_xO层与铜基板间的界面剥离，使剪切强度急剧下降至7MPa。断裂模式从银烧结层内的 cohesive fracture（内聚断裂）转变为Cu_xO/Cu界面的 interfacial fracture（界面断裂）。

通过EBSD分析发现，热老化过程中银镀层晶粒出现明显的（111）取向强化，最高织构强度达到8.6，但随着界面剥离的发生，该取向逐渐弱化。银烧结层的晶粒尺寸在老化初期从0.3μm增至0.7μm，但在500小时后停止生长，表明界面退化抑制了进一步的微观结构演变。

讨论部分指出，Cu_xO的生长引起的体积膨胀（约64%）对银镀层产生压应力，进而促进银烧结颈的生长和接头致密化。但随着Kirkendall孔洞的形成和界面剥离，应力传递被中断，导致银烧结过程停滞。这一发现揭示了外部应力场对烧结动力学的重要影响，也为理解高温下界面退化提供了新的视角。

该研究不仅明确了银纳米多孔烧结接头在高温下的失效机制，还为功率模块的材料选择和寿命评估提供了关键数据。特别是在当前功率模块向更高结温发展的背景下，该成果对实现高可靠性电子封装具有重要的工程指导意义。