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。

硬脆和复杂结构材料上的微孔加工是超快激光的主要应用之一。超快激光微孔加工的质量和加工效率受单脉冲能量、频率、脉宽、偏振等光束特性以及加工方式、被加工材料、辅助方式等多个因素的综合影响。不同的工艺参数组合将导致不同的孔圆度、孔锥度、加工缺陷以及侧壁和孔边缘的表面质量,对工艺参数进行研究是超快激光微孔加工的核心问题之一。本文从光束特性、加工及辅助方式、材料特性等方面综述了目前超快激光微孔加工工艺的研究进展,总结并对比了不同研究中对同一工艺参数的研究结果。最后,提出了目前研究存在的不足并展望了今后提升效率和加工质量的方向。

纳米线的空间定位与接头连接对制备和组装高性能的纳米功能单元至关重要,开发新材料体系的高性能互连结构一直是研究重点之一。使用单脉冲能量密度为22.3 mJ/cm ²的聚焦飞秒激光成功实现p型氧化铜(CuO)纳米线之间的互连,聚焦激光能量场会由CuO纳米线的几何效应在接头处产生局域场增强效应,在纳米线接头的界面处发生原子扩散,促使CuO互连结构在施加偏压为10 V的情况下所获得的电流响应强度较连接前提升3个数量级以上,达到与母材相同的水平,基于该结构的光电探测器在功率为25.3 mW卤素灯照射的条件下获得与母材性能一致的电流增幅比值。所得结果为制备基于纳米连接的小型化、高性能和多功能化的纳米线网络单元奠定基础。

随着新型材料特别是纳米材料在柔性多功能微纳光电子器件中的广泛应用,实现低维度下高质量材料互连成为了微纳器件高性能制造的关键。针对纳米材料自身的尺度及结构限制,传统宏观、微观尺度下的材料互连技术将难以实现在微纳空间上对输入能量的高精度控制,进而难以降低连接过程中的材料损伤。本文对基于光激励下表面等离子激元效应的超快激光纳米线连接技术进行了综述,分析了激光-材料相互作用过程中的等离子激元效应在纳米结构中的产生及分布特征,对光辐照下纳米线结构中的空间能量重分布及相应的控制策略进行了总结。同时,本文分别针对金属-金属纳米线、异质金属-氧化物/半导体纳米线以及跨尺度的纳米线,阐述了超快激光纳连接过程中的能量输入、材料损伤特征以及纳米接头的形成。最后,针对纳米线连接得到的低损伤纳米线结构,探索了超快激光纳米线连接技术在微纳光电子器件单元制造中的潜在应用。

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。

孔径和锥度的控制是超快激光微孔加工面临的难点之一,旋光钻孔是控制孔径和锥度的有效手段。因此,针对道威棱镜旋光钻孔系统,首先,从几何光学的角度研究了聚焦后激光出射角度和光斑旋转直径与可平移反射镜位置、楔形棱镜旋转角之间的关系。然后,利用CCD相机分别测量实际光斑在焦平面、焦平面上下±250 μm处的旋转直径,并在厚度为0.5 mm的黄铜板上进行钻孔实验,得到深径比为6∶1、锥度为-2.6°~2.3°的微孔。对比实验得到的微孔出入口直径与CCD相机的测量结果,得到孔径、锥度与光束旋转角之间的关系。结果表明,孔径主要由楔形棱镜旋转角决定,调整可平移反射镜的位置可得到不同锥度的微孔;激光能量的变化会影响材料的去除,因此,焦点位置、激光平均功率以及光斑重叠率也会在小范围内影响孔径和锥度。

采用干法转移方法制备Au电极-CuO/ZnO纳米线异质结构,通过飞秒激光辐照,基于表面等离子激元的能量局域化输入实现了异质结构的纳米连接,改善了异质结构界面的接触状态,促进了载流子传输通道的导通。辐照前后的电学测试结果表明,激光处理后p型和n型纳米线场效应管的背栅调控性能有明显提升。当栅极电压达到±20 V后,二者的电流有明显的夹止趋势。此外,基于CuO和ZnO纳米线的p型和n型场效应管特性,制备了一种p-CuO/n-ZnO纳米线半导体倒相器。结果表明,激光辐照后的倒相器具有稳定的电压调控能力,为自下而上的微纳电子器件组装提供了新思路。

针对燃气轮机叶片气膜孔传统加工方法存在的缺陷, 采用飞秒激光旋切带热障涂层的高温合金加工气膜孔, 获得了无裂纹、无附着残渣及无重铸层的锥孔。结合飞秒激光加工过程中材料的去除机理, 分析得出：等角速度旋切造成的孔锥度较大; 材料的去除过程为绝热冷却过程, 即与周边材料几乎没有热交换, 未发生基体材料熔化后重新凝固形成重铸层的过程。然而, 在孔的入口发现黑色附着物, 随着加工次数的增加, 逐步覆盖整个入口边缘的部分。试验过程中可收集到含有镍、锆、氧等元素的纳米颗粒, 证明被去除的材料通过液相爆破的方式以纳米颗粒的形式快速离开基体, 从而解释了加工后在孔壁未发现大量附着残渣粘连的原因。相对于低速单层旋切, 高速多层旋切加工效率更高。