《Journal of Materials Research and Technology》：Molecular Dynamics and Experimental Analysis on the Sintering Mechanism and Process Optimization of Micro-Nano Cu Pastes
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宽禁带（WBG）半导体（如SiC和GaN）需要能够在高温下可靠工作的互连材料，这推动了先进封装用低温烧结金属浆料的研究兴趣。为解决纳米Ag浆料的高成本和电迁移问题，本研究通过分子动力学（MD）模拟和实验研究了微纳米Cu浆料体系。研究人员建立了一个多粒子原子级C
宽禁带（WBG）半导体（如SiC和GaN）需要能够在高温下可靠工作的互连材料，这推动了先进封装用低温烧结金属浆料的研究兴趣。为解决纳米Ag浆料的高成本和电迁移问题，本研究通过分子动力学（MD）模拟和实验研究了微纳米Cu浆料体系。研究人员建立了一个多粒子原子级Cu/Ag界面烧结模型，以揭示原子扩散、局部晶体结构和位错行为的耦合演化。同时，进行了实验以评估温度、压力和保温时间对界面微观组织和剪切强度的影响。结果表明，升高温度增强了原子迁移率和Cu–Ag界面扩散，从而加速颈缩生长、降低孔隙率并改善界面连续性。延长保温时间为扩散、结构重排和缺陷相互作用提供了更长的动力学窗口，但一旦主要键合骨架形成，其增量效应逐渐减弱。在所选的工艺变量中，压力对烧结质量的影响最强，因为它直接改善了接触紧密性、缩短了有效扩散距离，并促进了应力辅助塑性协调。共近邻分析和位错提取进一步表明，HCP类局部结构和位错活动的增加与缺陷辅助致密化和界面稳定化密切相关。模拟和实验正交分析得出了所选范围内相同的工艺变量显著性顺序：压力>温度>时间。在280°C、15 MPa和20 min的优化条件下，接头获得了31.4 MPa的最大剪切强度。
微纳米铜浆料烧结机理与工艺优化：分子动力学与实验联合研究
宽禁带半导体（如SiC和GaN）器件的发展对封装互连材料提出了在200°C以上可靠服役的要求。传统钎料因共晶温度低而难以满足高温可靠性需求，纳米Ag浆料虽具有低温烧结优势，但成本高且存在电迁移风险。因此，Cu基浆料成为有前景的替代方案，但现有实验研究多关注工艺参数与宏观性能的关系，对原子扩散、局部晶体结构演变和位错行为等微观机制认识不足。此外，已有的分子动力学（MD）烧结模型多基于简化粒子几何或非约束纳米粒子系统，难以代表实际微纳米Cu浆料接头中异质接触条件，且对温度、压力和保温时间相对敏感性的机理基础尚未充分建立。为此，本研究建立了集成模拟-实验框架，构建了多粒子原子级Cu/Ag界面模型，通过MD模拟和实验表征系统研究了约束烧结条件下扩散、缺陷演变和塑性协调的耦合作用，旨在阐明各工艺变量的相对影响机制，并为工艺优化提供理论指导。该研究成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》。
本研究采用的主要技术方法包括：基于LAMMPS的分子动力学（MD）模拟，使用嵌入原子法（EAM）合金势CuAg.eam.alloy描述原子间相互作用，构建了包含多尺寸Cu颗粒（4.2 nm、7.8 nm、9.0 nm和15.0 nm）夹持于上下Ag金属化层之间的Ag/Cu颗粒/Ag三明治型原子模型，总原子数704820个；模拟中采用力控加载方式施加压力，并设置温度、压力和保温时间的不同条件组合。同时进行了实验验证，实验材料采用自制的微纳米Cu浆料，由平均粒径1 μm的微米Cu粉和30–50 nm的纳米Cu粉按质量比7:3混合，总固体含量80 wt.%，其余为有机添加剂；键合结构为Ag金属化Si芯片/微纳米Cu浆料中间层/AlN基直接键合铜（DBC）基板；实验通过改变烧结温度（240–280°C）、压力（9–15 MPa）和保温时间（10–20 min）进行单因素及L9(33)正交实验，采用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）表征微观组织，并通过剪切测试和图像分析量化接头剪切强度与孔隙率。
3.1 烧结温度的影响。MD模拟显示，温度从240°C升至280°C时，原子迁移率（均方位移MSD增大）、Cu–Ag界面扩散宽度从13 ?扩展至18 ?，且HCP类局部结构和Shockley不全位错活动增强。实验接头截面显示孔隙率从11.356%降至3.768%，剪切强度从16.2 MPa增至19.3 MPa，表明温度通过增强扩散和缺陷辅助塑性协调促进致密化。
3.2 烧结时间的影响。模拟和实验均表明，延长保温时间提供更长的动力学窗口，促进原子扩散、结构重排和缺陷相互作用。界面扩散宽度随模拟时间从200 ps时的13 ?增至400 ps时的18 ?，Cu原子跨界面数量增加。实验上，保温时间从10 min延长至20 min时，孔隙率从17.922%降至5.985%，剪切强度从16.8 MPa增至19.6 MPa，但增量逐渐减小，呈现饱和趋势。
3.3 烧结压力的影响。压力是所选变量中最强的因素。模拟中，20 MPa下颗粒发生显著饼状变形，HCP区域连接成带，位错网络密集，而0 MPa下仅出现局部适应。实验上，压力从9 MPa增至15 MPa时，孔隙率从11.047%降至2.535%，剪切强度从15.2 MPa大幅增至28.1 MPa，表明压力通过增大实际接触面积、缩短扩散距离和促进应力辅助塑性协调，直接强化烧结质量。
3.4 烧结参数优化。L9(33)正交实验和模拟的极差分析得出相同的主效应顺序：压力>温度>时间（模拟极差值：压力50.89、温度16.54、时间8.35；实验极差值：压力8.1、温度6.3、时间1.7）。方差分析（ANOVA）确认压力和温度是显著因素（p<0.001），时间贡献较小但仍显著（p<0.05）。在预测优化条件280°C、15 MPa、20 min下进行验证实验，获得最大剪切强度31.4 MPa。
讨论总结：研究表明接头致密化和强化并非仅由原子扩散控制，还涉及接触几何演变、堆垛层错相关局部变形、位错活动和应力辅助塑性协调的协同作用。压力之所以在所选工艺窗口内表现出最强主效应，是因为它直接加速了接触建立和致密化过程，而温度主要通过热激活扩散起作用，时间则提供动力学窗口但趋于饱和。研究结论强调，对于Cu基高温电子封装烧结接头工艺优化，应优先考虑压力调控，同时协调温度和保温时间以提升接头质量与工艺效率。该工作为理解Cu浆料烧结机制提供了原子级见解，也为实际工艺优化提供了实用指导。
