纳米连接涉及纳-纳、纳-微-宏跨尺度的材料连接,其在微纳电子元器件及其系统、微纳光机电系统等互连封装制造和研发中起到越来越重要的作用。目前已研发了系列纳米连接工艺方法,但在高操控性能量输入、多材料选择、低损伤互连等方面均有各自的局限性。超快激光具有峰值功率密度极高、多材料适用、加工热影响区极小等显著优势,进而基于超快激光制造的纳米连接是一个重要的发展方向。以本团队及合作者的研究为主,阐述了纳米尺度材料超快激光连接的局域能量调控和异质连接界面冶金与能带修饰、基于超快激光纳米颗粒薄膜沉积的低温连接新技术,以及基于超快激光纳米连接的新型微纳器件的制造与应用。同时,指出了超快激光纳米连接所面临的挑战和发展趋势,为未来纳米连接的研究和应用提供参考。

纳米银焊膏能够实现低温连接、高温服役,同时具有优异的导电、导热性能,其缺点是非常容易发生电化学迁移。本文采用脉冲激光沉积成功制备了完全互溶的Ag-10%Pd纳米合金,并将其用于SiC芯片的封装互连,旨在提高纳米颗粒烧结层的抗电化学迁移能力,同时保持纳米颗粒的低温烧结特性。研究表明,采用Ag-10%Pd纳米合金烧结连接SiC芯片及镀银的直接覆铜基板(DBC),在250 ℃的温度下可以实现剪切强度为21.89 MPa的接头,达到了美国军标MIL-STD-883K的要求(7.8 MPa)。Ag-Pd纳米合金抗电化学迁移能力是同等条件下纯银的4.3倍。在Ag-Pd纳米合金中,银离子的析出受到PdO的阻碍,迁移产物呈云雾状分布,有效延长了电极的短路时间。脉冲激光沉积Ag-Pd纳米合金的烧结避免了传统银、钯颗粒直接混合方法后续高达850 ℃的合金化过程。Ag-Pd纳米合金作为封装互连材料是实现低温连接的有效保证,并有望为功率电子器件的高可靠性封装提供解决方案。

采用脉冲激光沉积方法在待连接母材表面沉积制备无有机物的银微纳颗粒复合薄膜,用该薄膜作为中间层低温烧结连接SiC芯片与金属化陶瓷基板。将连接接头置于大气、真空及氧气含量可控环境进行300 ℃高温存储实验,系统研究了保温环境对接头多孔连接层的组织演变和性能影响规律。结果表明:保温2000 h以内,接头在室温下的剪切强度均高于20 MPa且明显高于美国军标。大气环境保温0~400 h期间,连接层内部孔隙逐渐聚集并导致组织致密化,接头强度提升;保温400~2000 h期间的孔隙聚集与扩大导致孔隙率明显增加,强度逐渐下降。真空环境对连接层内孔隙演变存在阻碍作用。保温环境的氧浓度提升可加速烧结连接层组织在高温存储过程中的演变进程。

电子产业的快速发展使电子封装面临新的问题和挑战,功率密度的不断提高和应用领域的不断拓展要求电子器件具有更高的服役温度。纳米金属颗粒焊膏凭借其优越的电热性能和“低温连接、高温服役”的特点已成为电子封装连接材料的重要发展方向。从纳米金属颗粒焊膏的烧结机理、组成成分、技术工艺发展过程等方面阐述了近年来焊膏烧结技术的发展情况,讨论了现有国内外研究的优势和不足,并结合烧结后接头的可靠性测试方案和结果,指出了现有研究在高温高功率下应用的失效机理及未来纳米金属颗粒焊膏烧结技术的发展方向,这对纳米金属颗粒焊膏在电子器件封装领域的大规模应用及第三代半导体产业在国内的快速发展具有重要意义。