電子封裝低溫互連技術(shù)研究進(jìn)展（下）

黃天 甘貴生 劉聰 馬鵬 江兆琪 許乾柱 陳仕琦 程大勇 吳懿平

(重慶理工大學(xué) 金龍精密銅管集團(tuán)股份有限公司 華中科技大學(xué))

摘要：

電子產(chǎn)品作為現(xiàn)代電子行業(yè)的產(chǎn)物，已逐漸成為社會(huì)發(fā)展的主導(dǎo)力量，在電子產(chǎn)品封裝過(guò)程中，電子器件的封裝溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，進(jìn)而降低其可靠性。隨著電子器件趨于微型化、高功率化、高集成化，其服役溫度越來(lái)越高，如何解決電子器件“低溫封裝、高溫服役”這一問(wèn)題已迫在眉睫。本文就低溫電子封裝材料及方法，從封裝母材、連接材料及連接方法三個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)，指出只有從母材、焊材及焊接方法同時(shí)入手，才能達(dá)到最佳技術(shù)效果，提出在母材表面制備鏈長(zhǎng)更長(zhǎng)的、易去除的臨時(shí)保護(hù)層，采用燒結(jié)納米銀、納米銅或瞬時(shí)液相混合焊料，借助與焊縫非直接接觸的超聲攪拌等材料和方法有望克服低溫封裝的技術(shù)瓶頸，同時(shí)提出采用微米級(jí)混合焊料并輔以超聲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)連接的新思想。

2.3低溫封裝方法的研究

(1)超聲互連技術(shù)的研究

超聲互連具有連接時(shí)間短、溫度低、壓力小、接頭導(dǎo)電性能和機(jī)械性能好、對(duì)環(huán)境友好等眾多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域。它的原理包括：①當(dāng)超聲波作用于液體(或熔體)焊料時(shí)，液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和而從液體中逸出，形成小氣泡，這些小氣泡在超聲波作用下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生的沖擊波可形成瞬時(shí)的高溫高壓，使得某些在常溫常壓條件下不能夠發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行，或使一些本來(lái)熔點(diǎn)較高的焊料局部熔化并形成結(jié)合，這種作用稱為超聲的空化效應(yīng)[108]；②當(dāng)超聲波作用于固體焊料時(shí)，在超聲震蕩作用下，焊料與母材發(fā)生激烈碰撞，倘若焊料是固體顆粒則將加速破除氧化膜，超聲的高能量和焊料顆粒的高活性引發(fā)并加速界面反應(yīng)。超聲互連技術(shù)能在一定程度上改善封裝溫度與接頭連接性能，目前關(guān)于超聲互連技術(shù)的研究很多，在電子封裝領(lǐng)域主要集中在Al[109]和Cu[110,111]等金屬材料基板以及陶瓷材料[112]等方面。

關(guān)于超聲波作用于液體(或熔體)焊料的研究，相關(guān)報(bào)道有許多。對(duì)于陶瓷與金屬的互連，Kolenak等[113]使用Zn-Al-Mg焊料將AlN與Cu基板在370℃溫度下通過(guò)超聲作用直接連接，其接頭是由于活性的Zn、Al和Mg與Cu基板表面相互作用而形成的，沒(méi)有形成新的過(guò)渡相，使用Zn-5Al-3Mg焊料形成的AlN-Cu接頭最大剪切強(qiáng)度為47MPa，使用相同焊料形成Cu-Cu接頭的最大剪切強(qiáng)度為93MPa。Wu等[114]采用Sn-Zn-Sb焊料，在250℃低溫超聲輔助下完成了Al2O3陶瓷與Cu的連接，Al2O3/Sn-Zn-Sb界面無(wú)反應(yīng)層，焊料填充陶瓷表面的凹槽，形成了牢固的機(jī)械結(jié)合，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到了24.79MPa。上述研究雖然在低溫下實(shí)現(xiàn)了陶瓷與金屬的互連，但陶瓷與金屬間未實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，這可能導(dǎo)致接頭強(qiáng)度不穩(wěn)定。對(duì)此，Xu等[115]在250℃低溫、超聲輔助0.5s的條件下得到了藍(lán)寶石與Sn-3.5Ag-4Al焊料的連接接頭，超聲輔助焊接之前，先在不同時(shí)間的超聲波熱浸下制作接頭，在焊接過(guò)程中，當(dāng)超聲熱浸時(shí)間為10~50s時(shí)，接頭的剪切強(qiáng)度從14MPa迅速提高到25MPa；在強(qiáng)化過(guò)程中，隨著超聲熱浸時(shí)間從100s延長(zhǎng)到300s，接頭的剪切強(qiáng)度從32MPa緩慢提高到40MPa。Wu等[116]在250℃低溫超輔助作用下，使SiC表面由于高溫氧化而形成的SiO2與Sn3.5Ag4Ti活性焊料中的Ti發(fā)生反應(yīng)，在界面處形成納米厚度的非晶SiO2-Ti層，促進(jìn)了兩種不同晶體之間的結(jié)合，其接頭的剪切強(qiáng)度約為28MPa；當(dāng)使用Zn-5Al-3Cu焊料[117]、Sn-9Zn-2Al焊料[118]以及Zn-Al-Mg焊料[119]時(shí)，同樣采用超聲輔助對(duì)SiC進(jìn)行低溫連接，均能得到較高剪切強(qiáng)度的接頭。

除了陶瓷與金屬的連接外，超聲互連技術(shù)也廣泛應(yīng)用于金屬之間的連接。Ji等[120]使用Sn-0.7Cu焊料，在超聲輔助250℃低溫、0.2MPa壓強(qiáng)的條件下成功連接了Cu與SiC(鍍層為Ag、Ni)，當(dāng)超聲輔助5s時(shí)接頭的剪強(qiáng)度達(dá)到最大值80.7MPa；當(dāng)超聲輔助10s時(shí)得到了由8μm(Cu,Ni)6Sn5和1.5μmCu3Sn組成的全I(xiàn)MC高性能接頭，雖然接頭強(qiáng)度略微降低到69.0MPa，但該接頭擁有比傳統(tǒng)回流焊接頭更高的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率和機(jī)械強(qiáng)度。Bi等[121]在140℃低溫空氣中實(shí)現(xiàn)了純Cu與Sn-In焊料的超聲輔助瞬時(shí)液相連接，超聲30s時(shí)接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值22.76MPa，通過(guò)觀察斷口發(fā)現(xiàn)，斷裂發(fā)生在細(xì)晶Cu6Sn5的表面，脆性斷口部分被粗晶Cu11In9覆蓋。Yi等[122]采用泡沫Cu作為強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，250℃時(shí)Cu基體與泡沫Cu/SAC305復(fù)合焊料層之間形成了良好的冶金結(jié)合，超聲空化效應(yīng)引起的晶粒細(xì)化顯著地提高了焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度，泡沫Cu/SAC305復(fù)合焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度高于SAC305焊點(diǎn)。

當(dāng)超聲波作用于固體焊料時(shí)，能使焊料顆粒與母材發(fā)生激烈碰撞，加速破除氧化膜，超聲的高能量和焊料顆粒的高活性引發(fā)并加速界面反應(yīng)。Ji等[123]將40μmSn顆粒與10μmNi顆粒通過(guò)機(jī)械混合后作為焊料，在超聲輔助、250℃低溫和0.4MPa壓強(qiáng)下成功得到了Ni-Ni接頭；隨著Ni顆粒的加入接頭中Ni3Sn4的含量逐漸增加，當(dāng)Ni含量達(dá)到24wt.%時(shí)接頭幾乎由單一的Ni3Sn4組成，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到43.4MPa。甘貴生等[11,124-126]采用45μmZn顆粒與20~38μmSAC0307顆?；旌闲纬珊噶咸畛浣宇^的新方法，在超聲輔助、220℃低溫下成功實(shí)現(xiàn)了Cu-Cu的低溫互連，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)34.2MPa，在150℃時(shí)效6h后剪切強(qiáng)度降低到23.82MPa，12~48h后降至21~22MPa，96h后降至16.58MPa。此外，他們還通過(guò)向SAC0307焊膏中加入0.5%的納米Ni顆粒(80nm)來(lái)提高接頭的連接性能[127,128]，在超聲輔助5s、210℃低溫的情況下得到了剪切強(qiáng)度高達(dá)41.20MPa的Cu-Cu接頭，較SAC0307焊膏得到的Cu-Cu接頭剪切強(qiáng)度(31.59MPa)高出了30.4%。為了進(jìn)一步探究超聲作用于固體焊料時(shí)的最佳超聲工藝，Jiang等[129]采用雙超聲工藝，使用40%Zn+60%SAC0307作為焊料在220℃的低溫下成功實(shí)現(xiàn)了Cu-Al異質(zhì)材料的高質(zhì)量互連，與單超聲輔助互連相比，雙超聲工藝下所得到的Cu-Al接頭焊縫中IMC更加平整，組織更加均勻，接頭的平均剪切強(qiáng)度比單超聲接頭提高了約18%。

此外，超聲互連技術(shù)在電子封裝領(lǐng)域的另一個(gè)重要應(yīng)用是超聲引線鍵合，該技術(shù)利用壓力和超聲振動(dòng)得到高可靠性互連，從20世紀(jì)60年代起，電子封裝市場(chǎng)就一直被這項(xiàng)技術(shù)所主導(dǎo)。該技術(shù)可在超短的時(shí)間內(nèi)(數(shù)十到數(shù)百毫秒，取決于引線直徑和材料)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量互連，引線/基板界面會(huì)出現(xiàn)非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象。由于這些現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)變化、較短的處理時(shí)間和封閉的界面，經(jīng)過(guò)幾十年的使用，對(duì)其潛在機(jī)制仍缺乏很好的理解。根據(jù)最新的研究[130-132]，超聲引線鍵合過(guò)程可分為四個(gè)階段：在第一階段，由于壓力的作用，金屬絲首先發(fā)生塑性變形，超聲振動(dòng)被激活，但只要振幅不夠大，導(dǎo)線仍粘在基板上；第二階段中，當(dāng)振幅超過(guò)閾值時(shí)，導(dǎo)線和基板之間開始摩擦；第三階段為軟化階段，此時(shí)引線與基板界面發(fā)生連續(xù)塑性變形并形成微焊縫；在第四階段中，界面形成微焊縫，發(fā)生互擴(kuò)散現(xiàn)象。

超聲互連技術(shù)主要是運(yùn)用超聲波在液體或熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)和在固體中對(duì)固體焊料顆粒以及母材表面氧化膜的破除作用，所以在連接過(guò)程所需額外施加的溫度較低，這與電子封裝的低溫化發(fā)展趨勢(shì)完美契合，其優(yōu)點(diǎn)主要有：可連接材料范圍廣，不受材料本身性能的限制，如Al、Cu、Mg等金屬和SiC、Al2O3等陶瓷以及一些復(fù)合材料的連接均可使用；連接性能優(yōu)異，接頭強(qiáng)度較高，還可通過(guò)向焊料中加入增強(qiáng)相如[133]：納米金屬粒子、陶瓷粒子、碳納米管、石墨烯等來(lái)優(yōu)化連接性能；連接過(guò)程中不需要對(duì)母材進(jìn)行特殊的表面處理，不需要添加助焊劑，焊點(diǎn)牢固可靠、力學(xué)性能優(yōu)異；可數(shù)字式控制連接工藝，能減少連接缺陷，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本等。

(2)飛秒激光技術(shù)的研究

飛秒激光作為一種先進(jìn)的加工技術(shù)，以其“冷加工”、多光子非線性效應(yīng)、突破衍射極限等特質(zhì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意材料由微納到宏觀尺度復(fù)雜三維零件的精密加工，在微納和精密機(jī)械、微納電子、微納光學(xué)、表面工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展露了巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景[134]。飛秒激光應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域主要有兩個(gè)作用，一是用于制備連接母材表面的微納結(jié)構(gòu)，這是利用了飛秒激光超短的脈沖持續(xù)時(shí)間和極高的輻照強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)整激光功率、掃描速度和掃描間隔等加工參數(shù)，可以對(duì)材料表面進(jìn)行處理或改性，進(jìn)而方便地在材料表面制備出微納結(jié)構(gòu)。例如，Wang等[135]提出了一種提高界面結(jié)合強(qiáng)度的有效方法，即利用飛秒激光在Cu表面制備Cu微錐陣列(錐形高度約為55~60μm，兩個(gè)相鄰錐形之間的距離約為50~60μm)如圖24所示，中間焊料使用燒結(jié)納米Ag漿，在較低的連接溫度和外加壓力下納米Ag漿很容易燒結(jié)成型，并與Cu微錐陣列形成良好的結(jié)合，基于接觸面積的增加和機(jī)械互鎖作用，260℃下得到的低溫互連接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)65.53MPa。在文獻(xiàn)[136]中，研究者提出了一種利用飛秒激光制作微錐陣列和Ag-Zn-Cu金屬間化合物作為輔助材料鍵合Cu的方法，微錐陣列引起的接觸面積增加以及金屬間化合物生長(zhǎng)引起的機(jī)械鎖緊作用對(duì)鍵合接頭提供了更好的機(jī)械性能，在300℃低溫、30min保溫時(shí)間下得到的接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)120MPa。Zhai等[137]利用飛秒激光在SiC-SiC表面加工微槽結(jié)構(gòu)，制備環(huán)境阻隔涂層(EBCs)，飛秒激光加工微槽結(jié)構(gòu)拓寬了EBCs與SiC-SiC表面的接觸面積，在EBCs與SiC-SiC表面之間形成了互鎖結(jié)構(gòu)，結(jié)合強(qiáng)度可提高約5.5%，達(dá)到臨界負(fù)荷的時(shí)間延長(zhǎng)了11.2%。Chen等[138]使用不同掃描速率的飛秒激光刻蝕Al-Li合金表面，在掃描速率為25、20、15、10和5mm/s時(shí)，樣品的表面自由能分別提高了133%、170%、192%、169%和95%，樣品的結(jié)合強(qiáng)度分別提高了81%、95%、107%、91%和78%。Jiang等[139]提出了一種基于飛秒激光制造材料表面微納結(jié)構(gòu)的方法來(lái)提高W-Cu接頭的連接強(qiáng)度，首先采用飛秒激光燒蝕法在W表面設(shè)計(jì)并制備了4種表面結(jié)構(gòu)即原始結(jié)構(gòu)、納米紋波、微立方陣列和微坑陣列，然后通過(guò)熱壓連接得到W-Cu接頭，經(jīng)過(guò)飛秒激光表面處理的W-Cu接頭結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了120.43MPa，高于未經(jīng)過(guò)飛秒激光燒灼處理的接頭強(qiáng)度(101.58MPa)。

飛秒激光應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域的第二個(gè)作用是利用激光產(chǎn)生的巨大熱量，達(dá)到瞬時(shí)加熱的目的，激光瞬時(shí)加熱具有功率密度高、加熱迅速和熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。Jang等[140]使用激光輔助鍵合技術(shù)(LAB)將Cu凸點(diǎn)與Si晶片進(jìn)行連接(圖25)，在LAB過(guò)程中Si晶片所吸收的激光光能被轉(zhuǎn)換為熱能，然后熱量通過(guò)晶片傳導(dǎo)到下方的Cu凸點(diǎn)和SAC305焊料中，將焊料瞬間加熱至熔化溫度，而后冷卻至室溫完成鍵合。Liu等[141]使用激光輔助燒結(jié)納米Ag顆粒的方法鍵合Si片與Cu襯底(圖26)，增大外加壓力、激光功率、燒結(jié)溫度以及輻照時(shí)間可直接提高接頭的剪切強(qiáng)度，在3MPa壓強(qiáng)、70W激光功率和1min極短輻照時(shí)間下鍵合接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到了10MPa，5min時(shí)剪切強(qiáng)度可達(dá)到20MPa，與常規(guī)幾十分鐘燒結(jié)所得到的接頭剪切強(qiáng)度相當(dāng)。Furuya等[142]采用激光功率為6kW、移動(dòng)速度為200mm/min，在15L/min流通量的Ar氣保護(hù)下實(shí)現(xiàn)了Al-Cu激光釬焊，焊料中加入Ni后接頭強(qiáng)度由原來(lái)的61MPa提升到100MPa。Kim等[143]提出了一種快速、高效的玻璃(熔融SiO2)微流體器件制造工藝，玻璃基板在氫氟酸(HF)中刻蝕20~30min后再使用脈沖能量為2.7μJ、移動(dòng)速度為20mm/s的飛秒激光對(duì)其進(jìn)行連接，其接頭可承受至少1.4MPa的壓強(qiáng)且沒(méi)有任何泄漏或破裂，這比傳統(tǒng)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻璃接頭或PDMS/PDMS接頭所能承受的最大壓強(qiáng)高3.5倍。Richter等[144]使用超短飛秒激光焊接熔融SiO2，他們將飛秒激光脈沖聚焦到兩個(gè)接觸的熔融SiO2樣品界面上，激光在聚焦位置產(chǎn)生瞬時(shí)局部熱量，優(yōu)化工藝參數(shù)后得到的SiO2接頭達(dá)到了SiO2塊狀材料破斷應(yīng)力的75%。Chambonneau等[145]采用皮秒超快激光對(duì)Si、Cu進(jìn)行連接，減少了Si的非線性效應(yīng)，在9.8ps的脈沖持續(xù)時(shí)間下獲得了剪切強(qiáng)度為2.2MPa的連接接頭。Penilla等[146]采用不同脈沖長(zhǎng)度的激光進(jìn)行ZrO?陶瓷之間的連接(圖27)，發(fā)現(xiàn)采用飛秒脈沖長(zhǎng)度的中轉(zhuǎn)速(50(°)s?1)連接的接頭剪切強(qiáng)度最低約為7MPa，使用皮秒脈沖長(zhǎng)度的低轉(zhuǎn)速(30（°）s?1)得到的接頭剪切強(qiáng)度平均為17MPa，使用皮秒脈沖的中轉(zhuǎn)速(50(°)s?1)得到的接頭剪切強(qiáng)度約為40MPa，獲得的接頭最高剪切強(qiáng)度與700~900℃的高溫下陶瓷與金屬的擴(kuò)散連接獲得的接頭相當(dāng)。

(3)局部加熱技術(shù)的研究

局部加熱技術(shù)是指在封裝過(guò)程中使熱量?jī)H集中在鍵合區(qū)的微小局部，雖然有部分熱量從加熱鍵合區(qū)傳導(dǎo)出來(lái)，但由于加熱時(shí)間短，熱容量有限，襯底仍然保持低溫，這能有效避免了高溫對(duì)溫度敏感部件的不利影響，降低了鍵合熱應(yīng)力，從而提高了封裝質(zhì)量和成品率。此外，局部加熱也降低了整體加熱封裝過(guò)程中母材間的雜質(zhì)擴(kuò)散，提高了器件性能。Sosnowchik等[147]在Si表面用Au、Ag、Ni以及SAC305焊料作為涂層，使用局部感應(yīng)加熱將Si與鋼進(jìn)行連接，結(jié)合過(guò)程僅用時(shí)3~5s且不會(huì)破壞鋼的表面處理工藝。Chen等[148]選擇合適的高頻電源頻率和優(yōu)化感應(yīng)線圈，僅在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)了密封封裝的快速選擇性感應(yīng)加熱，整個(gè)加熱過(guò)程中只有局部區(qū)域(包括蓋、金屬環(huán)和焊環(huán))能被有效加熱到預(yù)定溫度以熔化焊料，而陶瓷封裝體和芯片保持在低溫狀態(tài)下，有效避免高溫對(duì)溫度敏感的芯片或電路造成的損壞。Liu等[149]提出了一種通過(guò)電磁感應(yīng)線圈局部加熱的新型陶瓷封裝方法，高頻(f=350kHz)感應(yīng)加熱時(shí)焊料回路附近的溫度在幾秒鐘內(nèi)就能達(dá)到320℃，而陶瓷底部的溫度僅為100℃，從而避免了陶瓷封裝體內(nèi)部溫度敏感元器件和集成電路的高溫?fù)p壞，接頭的剪切強(qiáng)度最高達(dá)到了13.96MPa。Peng等[150]報(bào)道了一種在Ag納米線膏與Cu襯底連接過(guò)程中的自發(fā)局部加熱機(jī)制，局部加熱機(jī)制去除了焊膏中的有機(jī)化合物并增強(qiáng)了Cu-Ag、Ag-Ag之間的金屬鍵合，在低溫?zé)o壓條件下接頭剪切強(qiáng)度為5.7MPa，且在101.3nOhm·m范圍內(nèi)表現(xiàn)出超低電阻率。還有文獻(xiàn)[151]報(bào)道了一種晶圓級(jí)封裝的局部感應(yīng)加熱方法，探究發(fā)現(xiàn)焊料環(huán)邊緣寬度(0.1~0.5mm)越大，加熱速度越快，焊料環(huán)與環(huán)中心的溫差約為180℃，說(shuō)明該方法具有明顯的局部加熱效應(yīng)。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是在日常生活中廣泛應(yīng)用的微尺度器件，其大量應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、汽車和航空航天、通信、電力和能源等方面。Yang等[152]報(bào)道了一種用于MEMS器件晶圓級(jí)封裝的新型鍵合方法如圖28所示，采用電磁線圈對(duì)Si襯底上的電鍍磁膜(Ni-Co合金)進(jìn)行局部感應(yīng)加熱，當(dāng)溫度達(dá)到183℃時(shí)，Ni-Co合金表面的Sn-Pb鍍層熔化，在1min內(nèi)就能得到剪切強(qiáng)度高于18MPa的Si-Si鍵合接頭，充分減少了高溫對(duì)MEMS器件帶來(lái)的影響。目前，MEMS器件的典型設(shè)計(jì)原則是其組件表面避免接觸，因?yàn)榻佑|表面摩擦所產(chǎn)生的粘滯現(xiàn)象對(duì)于器件來(lái)說(shuō)是致命的。對(duì)此，Gkouzou等[153]在MEMS設(shè)備上加入了感應(yīng)線圈，對(duì)其接觸表面進(jìn)行局部加熱，只需將一個(gè)表面加熱到300℃以上，就可以將表面的粘附力從500nN降低到200nN，在降低表面粘附力的同時(shí)還保證了MEMS器件不受到高溫的影響。

(4)其它連接工藝

攪拌摩擦釬焊是以表面摩擦熱為熱源，采用無(wú)攪拌針工具并輔之以能與母材反應(yīng)的釬料，能以冶金反應(yīng)(共晶反應(yīng)為主)代替塑性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)去膜并拓寬焊幅，是攪拌摩擦搭接焊與釬焊的改進(jìn)工藝，能解決攪拌摩擦搭接焊存在的攪拌針磨損、匙孔、焊幅狹窄、鉤狀缺陷等問(wèn)題。甘貴生等[154-156]采用攪拌輔助低溫(半固態(tài)區(qū)間)釬焊技術(shù)，在222℃的低溫下制備了Sn-0.68Cu-0.45Ag＋1%Ni顆粒(80nm)納米復(fù)合釬料釬焊接頭，機(jī)械攪拌在破碎樹枝晶和加速元素?cái)U(kuò)散的同時(shí)降低了液相的溫度梯度和成分過(guò)冷，大大削弱了釬料基體中金屬間化合物Cu6Sn5的枝晶生長(zhǎng)，促使針狀Cu6Sn5破碎呈短棒狀，接頭剪切強(qiáng)度從26.56MPa提高到32.64MPa，提高了22.9%。Daly等[157]采用永磁攪拌(PMS)來(lái)改變Sn-2Ag-0.5Cu(SAC205)焊料的晶體織構(gòu)和耐蝕性，PMS處理后SAC205焊料的腐蝕速率從31mpy顯著降低至8mpy，PMS將層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。

脈沖電流鍵合[158]，又稱火花等離子燒結(jié)，常用于激光透明材料或大尺寸材料的連接，鍵合過(guò)程如圖29。該技術(shù)是通過(guò)脈沖電流與壓力在真空中的共同作用降低鍵合溫度，工藝參數(shù)包括鍵合高度、施加壓力和加熱速度等。Lin等[159]首次使用摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)來(lái)驅(qū)動(dòng)陽(yáng)極鍵合，雖然陽(yáng)極鍵合技術(shù)已廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝或太陽(yáng)能電池封裝，但是傳統(tǒng)的鍵合電源需要高電壓和大電流，在鍵合過(guò)程中產(chǎn)生了巨大的能量損耗，限制了陽(yáng)極鍵合的廣泛應(yīng)用?；赥ENG的陽(yáng)極鍵合系統(tǒng)具有更低的電流和更少的轉(zhuǎn)移電荷要求，在350℃和TENG的驅(qū)動(dòng)下，100mm2的Si/玻璃界面可以在30s內(nèi)緊密結(jié)合，剪切強(qiáng)度為15.38MPa，而利用TENG驅(qū)動(dòng)的兩步陽(yáng)極鍵合法得到的Si/玻璃/Si接頭可靠性良好，最大剪切強(qiáng)度達(dá)到了8.49MPa。Xin等[160]使用脈沖電流鍵合(SPS)，成功實(shí)現(xiàn)了Cu納米晶與Si3N4(Ti鍍層)的連接，由包含Ti4Cu2O(Ti3Cu3O)的Cu層和Ti2O層所形成的兩層結(jié)構(gòu)的接頭具有最好的結(jié)合性能，剪切強(qiáng)度達(dá)到了42.93N/cm2。

3總結(jié)與展望

為了延續(xù)甚至超越摩爾定律，電子元器件的封裝密度不斷提高，這也導(dǎo)致其功率以及服役溫度不斷提高，傳統(tǒng)的電子封裝技術(shù)已很難滿足電子元器件“低溫封裝，高溫服役”這一要求。采用低溫電子封裝技術(shù)能夠解決電子元器件在封裝過(guò)程中，因溫度過(guò)高而引起的可靠性問(wèn)題，同時(shí)還能滿足其在高溫環(huán)境下穩(wěn)定服役。但是如何提高電子元器件長(zhǎng)期高溫服役條件下的可靠性，以及采用低溫電子封裝技術(shù)時(shí)接頭剪切強(qiáng)度不夠高、穩(wěn)定性不夠好，或工藝?yán)щy、成本偏高、技術(shù)是否為環(huán)境友好型等問(wèn)題，還需要研究者們不斷探索。

(1)存在的問(wèn)題

在母材方面，表面活化是利用高能粒子轟擊使母材表面的有機(jī)物及雜質(zhì)在真空環(huán)境下分解實(shí)現(xiàn)母材表面能量降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)母材間鍵合，可應(yīng)用于陶瓷材料與陶瓷材料、金屬材料與金屬材料、金屬材料與陶瓷材料之間，但對(duì)氧化物類材料像SiO2、石英等不適用；表面活化所形成的接頭鍵合強(qiáng)度較低，可進(jìn)行退火處理以提高強(qiáng)度，但較高的退火溫度可能導(dǎo)致材料熱變形，故一般使用在母材上沉積附著層的方法來(lái)提高鍵合強(qiáng)度，然而該方法存在需要極高真空系統(tǒng)、設(shè)備昂貴、大規(guī)模生產(chǎn)成本較高等缺點(diǎn)。母材表面納米化是在母材表面濺射納米連接層或形成納米尺寸結(jié)構(gòu)，在納米結(jié)構(gòu)上涂覆納米材料或在母材表面直接生成納米材料，利用納米材料特殊的物化性質(zhì)達(dá)到降低封裝溫度目的；但具有極高表面能的納米材料極易氧化，在連接前就有可能發(fā)生聚合，過(guò)分納米化會(huì)導(dǎo)致氧化反應(yīng)更為嚴(yán)重，氧化物更難去除，同時(shí)其制備工藝和成本也不利于大批量生產(chǎn)。SAM使用自組裝單層膜作為母材表面的臨時(shí)保護(hù)層，可防止母材在空氣中快速氧化和污染，表面處理工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，但若要使SAM達(dá)到更好的防氧化目的，只能選取鏈長(zhǎng)更長(zhǎng)的單層膜，這就勢(shì)必增加了完全去除烷烴硫醇的難度，其相關(guān)研究還有待深化。

在焊接材料方面，納米材料或納米復(fù)合焊料是利用納米材料的體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)材料極高表面能和熔化溫度降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低溫互連；由于納米顆粒進(jìn)行燒結(jié)會(huì)施加一定的壓力，可能會(huì)對(duì)電子器件造成損傷，為了減少壓力帶來(lái)的副作用，需要選用無(wú)壓燒結(jié)的方式進(jìn)行封裝；納米材料或納米復(fù)合焊料所得到的接頭強(qiáng)度較低，為了增加強(qiáng)度，一般采用具有納米形貌的塊體材料作為連接層，或者直接對(duì)母材表面進(jìn)行納米化處理。低溫焊料是利用焊料本身的低熔點(diǎn)特性實(shí)現(xiàn)低溫互連，但Sn-Bi合金較脆、Sn-In合金較軟；為了改善低溫焊料性能，向其中加入一些其他物質(zhì)，如合金元素、稀土元素或納米材料等，起到細(xì)化合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小IMC尺寸，增加焊料濕潤(rùn)性的作用，一定程度上也提高了接頭強(qiáng)度。納米-微米顆粒混合焊料，納米顆?？梢允篃Y(jié)接頭更為致密，而微米顆?？梢詼p輕燒結(jié)時(shí)顆粒的團(tuán)聚和裂紋的形成；在被連接母材中間加入低熔點(diǎn)的中間層，使中間層與部分母材形成混合焊料的瞬時(shí)液相連接，在加熱過(guò)程中中間層與母材部分熔化，通過(guò)重新凝固或擴(kuò)散作用生成高熔點(diǎn)的金屬化合物而形成連接，該方法連接形成的接頭性能優(yōu)異，而且適合連接特殊材料，如單晶材料、先進(jìn)陶瓷、金屬基復(fù)合材料等，但由于中間層材料的選擇較少，導(dǎo)致混合焊料種類單一，所以應(yīng)用受到較大限制。

在封裝方法方面，當(dāng)焊件的厚度及硬度較高時(shí)，超聲互連所需功率呈指數(shù)增大，因而增加了工藝成本；一般情況下，將超聲與其他技術(shù)合理組合、搭配使用，或者將超聲作為輔助手段，以其它封裝技術(shù)為主，可以最大程度地降低工藝成本，提高連接強(qiáng)度。飛秒激光技術(shù)的激光峰值功率高，容易引起材料解離，且熱效應(yīng)小，加工精度高，在材料精密加工方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍廣泛；但精確選取激光參數(shù)仍具有較大難度，技術(shù)和所需設(shè)備加工成本較高，對(duì)材料精確加工控制技術(shù)要求也較高，限制了技術(shù)的廣泛推廣；激光瞬時(shí)加熱封裝技術(shù)是指在封裝過(guò)程中使熱量瞬間提升以達(dá)到封裝需求，其加熱功率密度高、加熱穩(wěn)定且熱影響區(qū)小，但該方法需要樣品對(duì)激光透明，還需要對(duì)準(zhǔn)激光，工藝較復(fù)雜，難以批量生產(chǎn)。局部加熱封裝技術(shù)是指在封裝過(guò)程中使熱量?jī)H集中在鍵合區(qū)的微小局部，利用了感應(yīng)線圈、微波等加熱方法，有效避免了高溫對(duì)溫度敏感部位的不利影響，降低了鍵合熱應(yīng)力，從而提高了封裝質(zhì)量和成品率；但仍存如感應(yīng)加熱需要額外布置加熱線，增加了工藝的復(fù)雜性，以及微波加熱設(shè)備昂貴且必須在真空下進(jìn)行等。

(2)發(fā)展方向

在母材方面，無(wú)論是表面活化還是表面納米化，都能起到改性母材表面的目的，但基于昂貴的設(shè)備、冗長(zhǎng)的制造工藝及易氧化的特性，較高的生產(chǎn)周期和成本不利于大規(guī)模生產(chǎn)；基于OSP焊盤的制備先例，在母材表面制備臨時(shí)保護(hù)層的SAM，表面處理工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，若能選取鏈長(zhǎng)更長(zhǎng)的易去除的單層膜，勢(shì)必會(huì)加快應(yīng)用進(jìn)程。

在焊接材料方面，燒結(jié)納米Ag、納米Cu或納米Cu6Sn5等及其改性納米焊料(或焊膏)，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫?zé)Y(jié)連接，但由于納米顆粒極易氧化，燒結(jié)之后容易產(chǎn)生空洞等缺陷，其長(zhǎng)期可靠性沒(méi)有得到充分的驗(yàn)證，制約了其大規(guī)模推廣；Sn-Bi低溫焊料熔化溫度較低，但Sn-Bi低溫焊料太脆及Bi偏析問(wèn)題始終無(wú)法解決，加之其不具有高溫服役特性，故只能用于極個(gè)別場(chǎng)合；納米-納米、納米-微米顆?；旌虾噶?，充分發(fā)揮納米和微米顆粒的特性，實(shí)現(xiàn)兩者性能的互補(bǔ)，具有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，但納米顆粒氧化、顆粒團(tuán)聚和混合不均勻是其必須的克服問(wèn)題；加入低熔點(diǎn)的中間層與部分母材形成混合焊料的瞬時(shí)液相連接，在較低的連接溫度下通過(guò)擴(kuò)散生成具有高熔點(diǎn)金屬化合物焊點(diǎn)，焊點(diǎn)具有較好的高溫?zé)峥煽啃?，具有較好的發(fā)展前景，但生產(chǎn)過(guò)程中其擴(kuò)散時(shí)間往往無(wú)法承受，若能選擇合適的擴(kuò)散元素并加快其擴(kuò)散進(jìn)程，必將推動(dòng)瞬時(shí)液相連接焊料的應(yīng)用。

在封裝方法方面，感應(yīng)加熱、微波加熱、飛秒激光、脈沖電流等都是利用瞬態(tài)或局部加熱實(shí)現(xiàn)焊縫處快速溫升，而母材溫升變化不明顯的特點(diǎn)，使焊料在極短時(shí)間內(nèi)熔化從而實(shí)現(xiàn)連接，這對(duì)加熱方式和能量密度提出了新的要求，同時(shí)較大的溫度梯度會(huì)造成材料間膨脹不匹配增加開裂和應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。超聲和機(jī)械攪拌，是通過(guò)加快焊料顆粒(或熔體)的運(yùn)動(dòng)和碰撞，加速原子運(yùn)動(dòng)遷移的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)焊料顆粒與母材的碰撞去膜、甚至產(chǎn)生局部熱效應(yīng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連接，降低焊接溫度作用明顯，但機(jī)械攪拌造成外來(lái)顆粒的混入和氣孔缺陷無(wú)法克服，超聲攪拌具有與焊縫非直接接觸的優(yōu)勢(shì)能很好的克服上述問(wèn)題，具有較好的應(yīng)用前景。

解決某一個(gè)技術(shù)問(wèn)題從來(lái)都不是孤立的方案，只有從母材、焊材及焊接方法同時(shí)入手，才能達(dá)到最佳技術(shù)效果。作者近期提出采用微米級(jí)混合焊料并輔以超聲振動(dòng)，在低溫下(180℃)實(shí)現(xiàn)了Cu-Cu固相互連(見圖30)，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度達(dá)29.76MPa，完全能滿足封裝需要。項(xiàng)目通過(guò)焊料顆?；?，焊前保持不同焊料獨(dú)立的物理屬性，低溫焊接時(shí)復(fù)合焊料顆粒間通過(guò)形成固溶或共晶或形成IMC實(shí)現(xiàn)顆粒間連接；超聲加速碰撞破除母材表面的氧化膜，加速顆粒遷移運(yùn)動(dòng)進(jìn)而加快原子擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)焊料和母材間結(jié)合。該方案焊料顆粒為微米級(jí)故而不易氧化，焊前顆粒不發(fā)生反應(yīng)和熔合因而具有振動(dòng)的最大自由度，焊接過(guò)程中無(wú)需助焊劑，超聲振動(dòng)下顆?；旌细泳鶆颍缚p質(zhì)量高，具有較好的研究和應(yīng)用前景。

免責(zé)申明：本文內(nèi)容作者：黃天 甘貴生 劉聰 馬鵬 江兆琪 許乾柱 陳仕琦 程大勇 吳懿平(重慶理工大學(xué) 金龍精密銅管集團(tuán)股份有限公司 華中科技大學(xué))。文字、素材、圖片版權(quán)等內(nèi)容屬于原作者，本站轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅供大家分享學(xué)習(xí)。如果侵害了原著作人的合法權(quán)益，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系，我們會(huì)安排刪除相關(guān)內(nèi)容。本文內(nèi)容為原作者觀點(diǎn)，并不代表我們贊同其觀點(diǎn)和（或）對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。

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