《Materials Science in Semiconductor Processing》：A high-performance bimodal Cu sintering paste assisted by resin binders with enhanced mechanical properties
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摘要为了解决铜-铜烧结接头剪切强度低和致密度低的问题，本研究探讨了铜微片（MFs）与铜纳米颗粒（NPs）的质量比（10:0，6:4，2:8，0:10）以及树脂粘合剂（丙烯酸树脂、环氧树脂和混合树脂）对微观结构演变、界面结合行为和力学性能的影响。结果表明，随着铜纳米颗粒（NPs
摘要
为了解决铜-铜烧结接头剪切强度低和致密度低的问题，本研究探讨了铜微片（MFs）与铜纳米颗粒（NPs）的质量比（10:0，6:4，2:8，0:10）以及树脂粘合剂（丙烯酸树脂、环氧树脂和混合树脂）对微观结构演变、界面结合行为和力学性能的影响。结果表明，随着铜纳米颗粒（NPs）比例的增加，烧结层内的孔隙分布变得更加均匀，剪切强度也随之提高。在260 °C和10 MPa下烧结6分钟，纯微片（10:0）接头和双峰（6:4）接头的剪切强度分别为6.42 MPa和14.78 MPa。随着纳米颗粒（NPs）比例的进一步增加，双峰（2:8）接头和纯纳米颗粒（0:10）接头的剪切强度显著上升至20.73 MPa和21.81 MPa。与此同时，观察到失效模式的转变，因为两种高纳米颗粒浓度（2:8和0:10）的接头在断口表面均呈现出明显的小塑性变形区。此外，引入树脂粘合剂有效降低了孔隙率，同时提高了界面连接率和剪切强度。添加1 wt%丙烯酸树脂（Cu-1AR）、2 wt%丙烯酸树脂（Cu-2AR）、2 wt%环氧树脂（Cu-2ER）、3 wt%丙烯酸树脂（Cu-3AR）和3 wt%混合树脂（Cu-3MR）的五种接头的剪切强度分别为23 MPa、35.24 MPa、28.57 MPa、40.02 MPa和46.09 MPa。提出Cu-3MR接头强度的提高源于颗粒接触改善以及环氧衍生的交联结构的潜在贡献。
引言
随着宽禁带功率模块（如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））的快速发展，电力电子设备越来越多地在高温、高频和高功率密度条件下运行 [[1], [2], [3], [4]]。这些进步对电子封装材料提出了更严格的要求，尤其是对于芯片贴装键合。由于熔点低和导热性差，传统的含铅焊料和无铅焊料往往无法满足这些要求 [[5], [6], [7], [8]]。因此，使用金属纳米颗粒（NPs）的无压或低压烧结技术已成为芯片贴装键合的一种有前途的替代方案。高温功率模块封装的最近进展进一步凸显了金属烧结作为宽禁带功率器件关键互连技术之一的地位 [[9], [10], [11]]。
目前，银烧结是替代高温焊料最成熟的技术，尽管加工温度较低，但仍能提供出色的导热性和高熔点 [[12], [13], [14], [15]]。然而，银纳米颗粒（Ag NPs）的缺点，即电迁移和高成本，阻碍了其进一步发展 [16,17]。最近，铜（Cu）已成为替代银（Ag）的一种有前途的选择，因为它的电导率和热导率与银相当 [[18], [19], [20]]，而铜材料的成本仅为银的十分之一。然而，铜纳米颗粒（Cu NPs）的应用面临着关键的技术障碍 [[21], [22], [23]]。其高表面能和小粒径本质上增加了其遭受严重氧化和团聚的敏感性 [[24], [25], [26]]。在烧结过程中，铜纳米颗粒表面的氧化物充当扩散势垒，严重阻碍原子传输，导致接头性能下降。
适当优化烧结参数可以有效降低孔隙率，增加有效界面连接面积，从而提高铜烧结接头的力学和热性能 [27,28]。此外，材料设计为提高铜浆料的烧结性能提供了另一条有效途径。提出将铜微片（MFs）引入纳米颗粒系统中，因为MFs具有相对较高的比表面积，氧化率较低，且团聚倾向降低 [29]。通过优化铜纳米颗粒与铜微片的质量比，可以充分利用双峰铜烧结的性能优势。此外，各种添加剂被引入铜浆料以促进烧结并获得更高的机械强度。例如，使用羧酸对铜纳米颗粒进行表面改性，并在浆料中添加二元羧酸还原剂，可以有效去除表面氧化物并增强接头强度 [30,31]。硅烷偶联添加剂也被用于在颗粒界面建立共价键，从而形成牢固的化学键并显著提高附着力 [32]。此外，最近的一项研究还表明，有机配方和溶剂工程可以有效调节低温铜烧结过程中的颗粒活化、重排和致密化 [33]。金属有机分解（MOD）墨水也被用作铜浆料的添加剂，在热分解过程中可以原位生成高活性的铜纳米颗粒以促进接头致密化 [34,35]。因此，建立双峰颗粒结构和聚合物添加剂之间的和谐协同作用对于制造高可靠性的烧结接头仍然至关重要。
本研究开发了一种掺入混合树脂系统作为粘合剂的双峰铜烧结浆料。研究了不同铜微片与铜纳米颗粒质量比对微致密化特性和力学性能的影响。此外，通过引入不同类型的树脂作为粘合剂，讨论了这些粘合剂在铜-铜烧结接头中的作用机制。系统表征和分析了微观结构的演变和力学性能。提出的方法有效地提高了接头的机械强度。本研究为电力电子中高可靠性铜基互连技术的发展提供了理论指导和实践经验。
章节片段
铜浆料的制备
本研究使用了由深圳先进连接技术有限公司提供的铜微片和铜纳米颗粒。铜浆料的制备过程如图1所示。首先，按10:0、6:4、2:8和0:10的质量比将微片和纳米颗粒混合并研磨。随后，将混合后的铜粉添加到松油醇溶剂中。铜粉的质量分数约为80%。混合物使用电动搅拌器进行均化，以确保分布均匀。
铜颗粒的特性
本研究使用的微片和纳米颗粒的粒径分布分别如图4(a)和(b)所示。微片和纳米颗粒的中位粒径 (D50) 分别为4.76 μm和178.43 nm。图4(c)展示了铜纳米颗粒和铜微片的XRD图谱。三个明显的衍射峰对应于面心立方（FCC）铜相的(111)、(200)和(220)晶面。此外，观察到与Cu2O的(111)晶面相关的极弱峰。这表明存在
结论
本研究系统研究了铜浆料中微片与纳米颗粒的不同质量比（MFs: NPs = 10:0、6:4、2:8和0:10）以及粘合剂组成（Cu-1AR、Cu-2AR、Cu-2ER、Cu-3AR和Cu-3MR）对铜-铜烧结接头综合性能的影响。具体来说，全面评估了微观结构演变、界面结合行为和力学性能。系统研究得出以下具体结论：
作者贡献声明
张智远：写作 – 初稿撰写，可视化，调查研究，数据管理。 梁林：写作 – 审阅与编辑，监督指导，资源支持，调查研究。 李俊杰：写作 – 审阅与编辑，方法学，形式分析。 王怡竹：方法学，形式分析。 温凯君：方法学，形式分析。 岑威：资源支持，形式分析。 M. Bilal Bhatti：写作 – 审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本报告中所述的工作。
张智远|梁林|李俊杰|王怡竹|温凯君|岑威|M. Bilal Bhatti
