电子封装低温互连技术研究进展（下）

电子封装低温互连技术研究进展（下）

黄天 甘贵生 刘聪 马鹏 江兆琪 许乾柱 陈仕琦 程大勇 吴懿平

(重庆理工大学 金龙精密铜管集团股份有限公司 华中科技大学)

摘要：

电子产品作为现代电子行业的产物，已逐渐成为社会发展的主导力量，在电子产品封装过程中，电子器件的封装温度过高会产生较大的热应力，进而降低其可靠性。随着电子器件趋于微型化、高功率化、高集成化，其服役温度越来越高，如何解决电子器件“低温封装、高温服役”这一问题已迫在眉睫。本文就低温电子封装材料及方法，从封装母材、连接材料及连接方法三个方面进行总结，指出只有从母材、焊材及焊接方法同时入手，才能达到最佳技术效果，提出在母材表面制备链长更长的、易去除的临时保护层，采用烧结纳米银、纳米铜或瞬时液相混合焊料，借助与焊缝非直接接触的超声搅拌等材料和方法有望克服低温封装的技术瓶颈，同时提出采用微米级混合焊料并辅以超声振动实现连接的新思想。

2.3低温封装方法的研究

(1)超声互连技术的研究

超声互连具有连接时间短、温度低、压力小、接头导电性能和机械性能好、对环境友好等众多优点，广泛应用于电子封装领域。它的原理包括：①当超声波作用于液体(或熔体)焊料时，液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和而从液体中逸出，形成小气泡，这些小气泡在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生的冲击波可形成瞬时的高温高压，使得某些在常温常压条件下不能够发生的化学反应得以进行，或使一些本来熔点较高的焊料局部熔化并形成结合，这种作用称为超声的空化效应[108]；②当超声波作用于固体焊料时，在超声震荡作用下，焊料与母材发生激烈碰撞，倘若焊料是固体颗粒则将加速破除氧化膜，超声的高能量和焊料颗粒的高活性引发并加速界面反应。超声互连技术能在一定程度上改善封装温度与接头连接性能，目前关于超声互连技术的研究很多，在电子封装领域主要集中在Al[109]和Cu[110,111]等金属材料基板以及陶瓷材料[112]等方面。

关于超声波作用于液体(或熔体)焊料的研究，相关报道有许多。对于陶瓷与金属的互连，Kolenak等[113]使用Zn-Al-Mg焊料将AlN与Cu基板在370℃温度下通过超声作用直接连接，其接头是由于活性的Zn、Al和Mg与Cu基板表面相互作用而形成的，没有形成新的过渡相，使用Zn-5Al-3Mg焊料形成的AlN-Cu接头最大剪切强度为47MPa，使用相同焊料形成Cu-Cu接头的最大剪切强度为93MPa。Wu等[114]采用Sn-Zn-Sb焊料，在250℃低温超声辅助下完成了Al2O3陶瓷与Cu的连接，Al2O3/Sn-Zn-Sb界面无反应层，焊料填充陶瓷表面的凹槽，形成了牢固的机械结合，接头剪切强度达到了24.79MPa。上述研究虽然在低温下实现了陶瓷与金属的互连，但陶瓷与金属间未实现冶金结合，这可能导致接头强度不稳定。对此，Xu等[115]在250℃低温、超声辅助0.5s的条件下得到了蓝宝石与Sn-3.5Ag-4Al焊料的连接接头，超声辅助焊接之前，先在不同时间的超声波热浸下制作接头，在焊接过程中，当超声热浸时间为10~50s时，接头的剪切强度从14MPa迅速提高到25MPa；在强化过程中，随着超声热浸时间从100s延长到300s，接头的剪切强度从32MPa缓慢提高到40MPa。Wu等[116]在250℃低温超辅助作用下，使SiC表面由于高温氧化而形成的SiO2与Sn3.5Ag4Ti活性焊料中的Ti发生反应，在界面处形成纳米厚度的非晶SiO2-Ti层，促进了两种不同晶体之间的结合，其接头的剪切强度约为28MPa；当使用Zn-5Al-3Cu焊料[117]、Sn-9Zn-2Al焊料[118]以及Zn-Al-Mg焊料[119]时，同样采用超声辅助对SiC进行低温连接，均能得到较高剪切强度的接头。

除了陶瓷与金属的连接外，超声互连技术也广泛应用于金属之间的连接。Ji等[120]使用Sn-0.7Cu焊料，在超声辅助250℃低温、0.2MPa压强的条件下成功连接了Cu与SiC(镀层为Ag、Ni)，当超声辅助5s时接头的剪强度达到最大值80.7MPa；当超声辅助10s时得到了由8μm(Cu,Ni)6Sn5和1.5μmCu3Sn组成的全IMC高性能接头，虽然接头强度略微降低到69.0MPa，但该接头拥有比传统回流焊接头更高的熔点、导热率和机械强度。Bi等[121]在140℃低温空气中实现了纯Cu与Sn-In焊料的超声辅助瞬时液相连接，超声30s时接头剪切强度达到最大值22.76MPa，通过观察断口发现，断裂发生在细晶Cu6Sn5的表面，脆性断口部分被粗晶Cu11In9覆盖。Yi等[122]采用泡沫Cu作为强化结构，250℃时Cu基体与泡沫Cu/SAC305复合焊料层之间形成了良好的冶金结合，超声空化效应引起的晶粒细化显著地提高了焊点的剪切强度，泡沫Cu/SAC305复合焊点的剪切强度高于SAC305焊点。

当超声波作用于固体焊料时，能使焊料颗粒与母材发生激烈碰撞，加速破除氧化膜，超声的高能量和焊料颗粒的高活性引发并加速界面反应。Ji等[123]将40μmSn颗粒与10μmNi颗粒通过机械混合后作为焊料，在超声辅助、250℃低温和0.4MPa压强下成功得到了Ni-Ni接头；随着Ni颗粒的加入接头中Ni3Sn4的含量逐渐增加，当Ni含量达到24wt.%时接头几乎由单一的Ni3Sn4组成，接头剪切强度达到43.4MPa。甘贵生等[11,124-126]采用45μmZn颗粒与20~38μmSAC0307颗粒混合形成焊料填充接头的新方法，在超声辅助、220℃低温下成功实现了Cu-Cu的低温互连，接头剪切强度达34.2MPa，在150℃时效6h后剪切强度降低到23.82MPa，12~48h后降至21~22MPa，96h后降至16.58MPa。此外，他们还通过向SAC0307焊膏中加入0.5%的纳米Ni颗粒(80nm)来提高接头的连接性能[127,128]，在超声辅助5s、210℃低温的情况下得到了剪切强度高达41.20MPa的Cu-Cu接头，较SAC0307焊膏得到的Cu-Cu接头剪切强度(31.59MPa)高出了30.4%。为了进一步探究超声作用于固体焊料时的最佳超声工艺，Jiang等[129]采用双超声工艺，使用40%Zn+60%SAC0307作为焊料在220℃的低温下成功实现了Cu-Al异质材料的高质量互连，与单超声辅助互连相比，双超声工艺下所得到的Cu-Al接头焊缝中IMC更加平整，组织更加均匀，接头的平均剪切强度比单超声接头提高了约18%。

此外，超声互连技术在电子封装领域的另一个重要应用是超声引线键合，该技术利用压力和超声振动得到高可靠性互连，从20世纪60年代起，电子封装市场就一直被这项技术所主导。该技术可在超短的时间内(数十到数百毫秒，取决于引线直径和材料)实现高质量互连，引线/基板界面会出现非常复杂的物理现象。由于这些现象的动态变化、较短的处理时间和封闭的界面，经过几十年的使用，对其潜在机制仍缺乏很好的理解。根据最新的研究[130-132]，超声引线键合过程可分为四个阶段：在第一阶段，由于压力的作用，金属丝首先发生塑性变形，超声振动被激活，但只要振幅不够大，导线仍粘在基板上；第二阶段中，当振幅超过阈值时，导线和基板之间开始摩擦；第三阶段为软化阶段，此时引线与基板界面发生连续塑性变形并形成微焊缝；在第四阶段中，界面形成微焊缝，发生互扩散现象。

超声互连技术主要是运用超声波在液体或熔体中产生的空化效应和在固体中对固体焊料颗粒以及母材表面氧化膜的破除作用，所以在连接过程所需额外施加的温度较低，这与电子封装的低温化发展趋势完美契合，其优点主要有：可连接材料范围广，不受材料本身性能的限制，如Al、Cu、Mg等金属和SiC、Al2O3等陶瓷以及一些复合材料的连接均可使用；连接性能优异，接头强度较高，还可通过向焊料中加入增强相如[133]：纳米金属粒子、陶瓷粒子、碳纳米管、石墨烯等来优化连接性能；连接过程中不需要对母材进行特殊的表面处理，不需要添加助焊剂，焊点牢固可靠、力学性能优异；可数字式控制连接工艺，能减少连接缺陷，提高生产效率，降低生产成本等。

(2)飞秒激光技术的研究

飞秒激光作为一种先进的加工技术，以其“冷加工”、多光子非线性效应、突破衍射极限等特质可实现对任意材料由微纳到宏观尺度复杂三维零件的精密加工，在微纳和精密机械、微纳电子、微纳光学、表面工程、生物医学等领域展露了巨大的市场应用前景[134]。飞秒激光应用于电子封装领域主要有两个作用，一是用于制备连接母材表面的微纳结构，这是利用了飞秒激光超短的脉冲持续时间和极高的辐照强度，通过调整激光功率、扫描速度和扫描间隔等加工参数，可以对材料表面进行处理或改性，进而方便地在材料表面制备出微纳结构。例如，Wang等[135]提出了一种提高界面结合强度的有效方法，即利用飞秒激光在Cu表面制备Cu微锥阵列(锥形高度约为55~60µm，两个相邻锥形之间的距离约为50~60µm)如图24所示，中间焊料使用烧结纳米Ag浆，在较低的连接温度和外加压力下纳米Ag浆很容易烧结成型，并与Cu微锥阵列形成良好的结合，基于接触面积的增加和机械互锁作用，260℃下得到的低温互连接头的剪切强度达65.53MPa。在文献[136]中，研究者提出了一种利用飞秒激光制作微锥阵列和Ag-Zn-Cu金属间化合物作为辅助材料键合Cu的方法，微锥阵列引起的接触面积增加以及金属间化合物生长引起的机械锁紧作用对键合接头提供了更好的机械性能，在300℃低温、30min保温时间下得到的接头剪切强度可达120MPa。Zhai等[137]利用飞秒激光在SiC-SiC表面加工微槽结构，制备环境阻隔涂层(EBCs)，飞秒激光加工微槽结构拓宽了EBCs与SiC-SiC表面的接触面积，在EBCs与SiC-SiC表面之间形成了互锁结构，结合强度可提高约5.5%，达到临界负荷的时间延长了11.2%。Chen等[138]使用不同扫描速率的飞秒激光刻蚀Al-Li合金表面，在扫描速率为25、20、15、10和5mm/s时，样品的表面自由能分别提高了133%、170%、192%、169%和95%，样品的结合强度分别提高了81%、95%、107%、91%和78%。Jiang等[139]提出了一种基于飞秒激光制造材料表面微纳结构的方法来提高W-Cu接头的连接强度，首先采用飞秒激光烧蚀法在W表面设计并制备了4种表面结构即原始结构、纳米纹波、微立方阵列和微坑阵列，然后通过热压连接得到W-Cu接头，经过飞秒激光表面处理的W-Cu接头结合强度达到了120.43MPa，高于未经过飞秒激光烧灼处理的接头强度(101.58MPa)。

飞秒激光应用于电子封装领域的第二个作用是利用激光产生的巨大热量，达到瞬时加热的目的，激光瞬时加热具有功率密度高、加热迅速和热影响区小等优点。Jang等[140]使用激光辅助键合技术(LAB)将Cu凸点与Si晶片进行连接(图25)，在LAB过程中Si晶片所吸收的激光光能被转换为热能，然后热量通过晶片传导到下方的Cu凸点和SAC305焊料中，将焊料瞬间加热至熔化温度，而后冷却至室温完成键合。Liu等[141]使用激光辅助烧结纳米Ag颗粒的方法键合Si片与Cu衬底(图26)，增大外加压力、激光功率、烧结温度以及辐照时间可直接提高接头的剪切强度，在3MPa压强、70W激光功率和1min极短辐照时间下键合接头的剪切强度达到了10MPa，5min时剪切强度可达到20MPa，与常规几十分钟烧结所得到的接头剪切强度相当。Furuya等[142]采用激光功率为6kW、移动速度为200mm/min，在15L/min流通量的Ar气保护下实现了Al-Cu激光钎焊，焊料中加入Ni后接头强度由原来的61MPa提升到100MPa。Kim等[143]提出了一种快速、高效的玻璃(熔融SiO2)微流体器件制造工艺，玻璃基板在氢氟酸(HF)中刻蚀20~30min后再使用脉冲能量为2.7µJ、移动速度为20mm/s的飞秒激光对其进行连接，其接头可承受至少1.4MPa的压强且没有任何泄漏或破裂，这比传统的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻璃接头或PDMS/PDMS接头所能承受的最大压强高3.5倍。Richter等[144]使用超短飞秒激光焊接熔融SiO2，他们将飞秒激光脉冲聚焦到两个接触的熔融SiO2样品界面上，激光在聚焦位置产生瞬时局部热量，优化工艺参数后得到的SiO2接头达到了SiO2块状材料破断应力的75%。Chambonneau等[145]采用皮秒超快激光对Si、Cu进行连接，减少了Si的非线性效应，在9.8ps的脉冲持续时间下获得了剪切强度为2.2MPa的连接接头。Penilla等[146]采用不同脉冲长度的激光进行ZrO₂陶瓷之间的连接(图27)，发现采用飞秒脉冲长度的中转速(50(°)s−1)连接的接头剪切强度最低约为7MPa，使用皮秒脉冲长度的低转速(30（°）s−1)得到的接头剪切强度平均为17MPa，使用皮秒脉冲的中转速(50(°)s−1)得到的接头剪切强度约为40MPa，获得的接头最高剪切强度与700~900℃的高温下陶瓷与金属的扩散连接获得的接头相当。

(3)局部加热技术的研究

局部加热技术是指在封装过程中使热量仅集中在键合区的微小局部，虽然有部分热量从加热键合区传导出来，但由于加热时间短，热容量有限，衬底仍然保持低温，这能有效避免了高温对温度敏感部件的不利影响，降低了键合热应力，从而提高了封装质量和成品率。此外，局部加热也降低了整体加热封装过程中母材间的杂质扩散，提高了器件性能。Sosnowchik等[147]在Si表面用Au、Ag、Ni以及SAC305焊料作为涂层，使用局部感应加热将Si与钢进行连接，结合过程仅用时3~5s且不会破坏钢的表面处理工艺。Chen等[148]选择合适的高频电源频率和优化感应线圈，仅在几秒钟内实现了密封封装的快速选择性感应加热，整个加热过程中只有局部区域(包括盖、金属环和焊环)能被有效加热到预定温度以熔化焊料，而陶瓷封装体和芯片保持在低温状态下，有效避免高温对温度敏感的芯片或电路造成的损坏。Liu等[149]提出了一种通过电磁感应线圈局部加热的新型陶瓷封装方法，高频(f=350kHz)感应加热时焊料回路附近的温度在几秒钟内就能达到320℃，而陶瓷底部的温度仅为100℃，从而避免了陶瓷封装体内部温度敏感元器件和集成电路的高温损坏，接头的剪切强度最高达到了13.96MPa。Peng等[150]报道了一种在Ag纳米线膏与Cu衬底连接过程中的自发局部加热机制，局部加热机制去除了焊膏中的有机化合物并增强了Cu-Ag、Ag-Ag之间的金属键合，在低温无压条件下接头剪切强度为5.7MPa，且在101.3nOhm·m范围内表现出超低电阻率。还有文献[151]报道了一种晶圆级封装的局部感应加热方法，探究发现焊料环边缘宽度(0.1~0.5mm)越大，加热速度越快，焊料环与环中心的温差约为180℃，说明该方法具有明显的局部加热效应。

微机电系统(MEMS)是在日常生活中广泛应用的微尺度器件，其大量应用于生物医学、汽车和航空航天、通信、电力和能源等方面。Yang等[152]报道了一种用于MEMS器件晶圆级封装的新型键合方法如图28所示，采用电磁线圈对Si衬底上的电镀磁膜(Ni-Co合金)进行局部感应加热，当温度达到183℃时，Ni-Co合金表面的Sn-Pb镀层熔化，在1min内就能得到剪切强度高于18MPa的Si-Si键合接头，充分减少了高温对MEMS器件带来的影响。目前，MEMS器件的典型设计原则是其组件表面避免接触，因为接触表面摩擦所产生的粘滞现象对于器件来说是致命的。对此，Gkouzou等[153]在MEMS设备上加入了感应线圈，对其接触表面进行局部加热，只需将一个表面加热到300℃以上，就可以将表面的粘附力从500nN降低到200nN，在降低表面粘附力的同时还保证了MEMS器件不受到高温的影响。

(4)其它连接工艺

搅拌摩擦钎焊是以表面摩擦热为热源，采用无搅拌针工具并辅之以能与母材反应的钎料，能以冶金反应(共晶反应为主)代替塑性流动实现去膜并拓宽焊幅，是搅拌摩擦搭接焊与钎焊的改进工艺，能解决搅拌摩擦搭接焊存在的搅拌针磨损、匙孔、焊幅狭窄、钩状缺陷等问题。甘贵生等[154-156]采用搅拌辅助低温(半固态区间)钎焊技术，在222℃的低温下制备了Sn-0.68Cu-0.45Ag＋1%Ni颗粒(80nm)纳米复合钎料钎焊接头，机械搅拌在破碎树枝晶和加速元素扩散的同时降低了液相的温度梯度和成分过冷，大大削弱了钎料基体中金属间化合物Cu6Sn5的枝晶生长，促使针状Cu6Sn5破碎呈短棒状，接头剪切强度从26.56MPa提高到32.64MPa，提高了22.9%。Daly等[157]采用永磁搅拌(PMS)来改变Sn-2Ag-0.5Cu(SAC205)焊料的晶体织构和耐蚀性，PMS处理后SAC205焊料的腐蚀速率从31mpy显着降低至8mpy，PMS将层状结构转变为等轴晶。

脉冲电流键合[158]，又称火花等离子烧结，常用于激光透明材料或大尺寸材料的连接，键合过程如图29。该技术是通过脉冲电流与压力在真空中的共同作用降低键合温度，工艺参数包括键合高度、施加压力和加热速度等。Lin等[159]首次使用摩擦电纳米发电机(TENG)来驱动阳极键合，虽然阳极键合技术已广泛应用于微机电系统(MEMS)封装或太阳能电池封装，但是传统的键合电源需要高电压和大电流，在键合过程中产生了巨大的能量损耗，限制了阳极键合的广泛应用。基于TENG的阳极键合系统具有更低的电流和更少的转移电荷要求，在350℃和TENG的驱动下，100mm2的Si/玻璃界面可以在30s内紧密结合，剪切强度为15.38MPa，而利用TENG驱动的两步阳极键合法得到的Si/玻璃/Si接头可靠性良好，最大剪切强度达到了8.49MPa。Xin等[160]使用脉冲电流键合(SPS)，成功实现了Cu纳米晶与Si3N4(Ti镀层)的连接，由包含Ti4Cu2O(Ti3Cu3O)的Cu层和Ti2O层所形成的两层结构的接头具有最好的结合性能，剪切强度达到了42.93N/cm2。

3总结与展望

为了延续甚至超越摩尔定律，电子元器件的封装密度不断提高，这也导致其功率以及服役温度不断提高，传统的电子封装技术已很难满足电子元器件“低温封装，高温服役”这一要求。采用低温电子封装技术能够解决电子元器件在封装过程中，因温度过高而引起的可靠性问题，同时还能满足其在高温环境下稳定服役。但是如何提高电子元器件长期高温服役条件下的可靠性，以及采用低温电子封装技术时接头剪切强度不够高、稳定性不够好，或工艺困难、成本偏高、技术是否为环境友好型等问题，还需要研究者们不断探索。

(1)存在的问题

在母材方面，表面活化是利用高能粒子轰击使母材表面的有机物及杂质在真空环境下分解实现母材表面能量降低，进而实现母材间键合，可应用于陶瓷材料与陶瓷材料、金属材料与金属材料、金属材料与陶瓷材料之间，但对氧化物类材料像SiO2、石英等不适用；表面活化所形成的接头键合强度较低，可进行退火处理以提高强度，但较高的退火温度可能导致材料热变形，故一般使用在母材上沉积附着层的方法来提高键合强度，然而该方法存在需要极高真空系统、设备昂贵、大规模生产成本较高等缺点。母材表面纳米化是在母材表面溅射纳米连接层或形成纳米尺寸结构，在纳米结构上涂覆纳米材料或在母材表面直接生成纳米材料，利用纳米材料特殊的物化性质达到降低封装温度目的；但具有极高表面能的纳米材料极易氧化，在连接前就有可能发生聚合，过分纳米化会导致氧化反应更为严重，氧化物更难去除，同时其制备工艺和成本也不利于大批量生产。SAM使用自组装单层膜作为母材表面的临时保护层，可防止母材在空气中快速氧化和污染，表面处理工艺简单、成本低廉，但若要使SAM达到更好的防氧化目的，只能选取链长更长的单层膜，这就势必增加了完全去除烷烃硫醇的难度，其相关研究还有待深化。

在焊接材料方面，纳米材料或纳米复合焊料是利用纳米材料的体积效应、表面效应、量子尺寸效应等实现材料极高表面能和熔化温度降低，进而实现低温互连；由于纳米颗粒进行烧结会施加一定的压力，可能会对电子器件造成损伤，为了减少压力带来的副作用，需要选用无压烧结的方式进行封装；纳米材料或纳米复合焊料所得到的接头强度较低，为了增加强度，一般采用具有纳米形貌的块体材料作为连接层，或者直接对母材表面进行纳米化处理。低温焊料是利用焊料本身的低熔点特性实现低温互连，但Sn-Bi合金较脆、Sn-In合金较软；为了改善低温焊料性能，向其中加入一些其他物质，如合金元素、稀土元素或纳米材料等，起到细化合金内部结构，减小IMC尺寸，增加焊料湿润性的作用，一定程度上也提高了接头强度。纳米-微米颗粒混合焊料，纳米颗粒可以使烧结接头更为致密，而微米颗粒可以减轻烧结时颗粒的团聚和裂纹的形成；在被连接母材中间加入低熔点的中间层，使中间层与部分母材形成混合焊料的瞬时液相连接，在加热过程中中间层与母材部分熔化，通过重新凝固或扩散作用生成高熔点的金属化合物而形成连接，该方法连接形成的接头性能优异，而且适合连接特殊材料，如单晶材料、先进陶瓷、金属基复合材料等，但由于中间层材料的选择较少，导致混合焊料种类单一，所以应用受到较大限制。

在封装方法方面，当焊件的厚度及硬度较高时，超声互连所需功率呈指数增大，因而增加了工艺成本；一般情况下，将超声与其他技术合理组合、搭配使用，或者将超声作为辅助手段，以其它封装技术为主，可以最大程度地降低工艺成本，提高连接强度。飞秒激光技术的激光峰值功率高，容易引起材料解离，且热效应小，加工精度高，在材料精密加工方面有独特的优势，应用范围广泛；但精确选取激光参数仍具有较大难度，技术和所需设备加工成本较高，对材料精确加工控制技术要求也较高，限制了技术的广泛推广；激光瞬时加热封装技术是指在封装过程中使热量瞬间提升以达到封装需求，其加热功率密度高、加热稳定且热影响区小，但该方法需要样品对激光透明，还需要对准激光，工艺较复杂，难以批量生产。局部加热封装技术是指在封装过程中使热量仅集中在键合区的微小局部，利用了感应线圈、微波等加热方法，有效避免了高温对温度敏感部位的不利影响，降低了键合热应力，从而提高了封装质量和成品率；但仍存如感应加热需要额外布置加热线，增加了工艺的复杂性，以及微波加热设备昂贵且必须在真空下进行等。

(2)发展方向

在母材方面，无论是表面活化还是表面纳米化，都能起到改性母材表面的目的，但基于昂贵的设备、冗长的制造工艺及易氧化的特性，较高的生产周期和成本不利于大规模生产；基于OSP焊盘的制备先例，在母材表面制备临时保护层的SAM，表面处理工艺简单、成本低廉，若能选取链长更长的易去除的单层膜，势必会加快应用进程。

在焊接材料方面，烧结纳米Ag、纳米Cu或纳米Cu6Sn5等及其改性纳米焊料(或焊膏)，能够实现低温烧结连接，但由于纳米颗粒极易氧化，烧结之后容易产生空洞等缺陷，其长期可靠性没有得到充分的验证，制约了其大规模推广；Sn-Bi低温焊料熔化温度较低，但Sn-Bi低温焊料太脆及Bi偏析问题始终无法解决，加之其不具有高温服役特性，故只能用于极个别场合；纳米-纳米、纳米-微米颗粒混合焊料，充分发挥纳米和微米颗粒的特性，实现两者性能的互补，具有一定的应用基础，但纳米颗粒氧化、颗粒团聚和混合不均匀是其必须的克服问题；加入低熔点的中间层与部分母材形成混合焊料的瞬时液相连接，在较低的连接温度下通过扩散生成具有高熔点金属化合物焊点，焊点具有较好的高温热可靠性，具有较好的发展前景，但生产过程中其扩散时间往往无法承受，若能选择合适的扩散元素并加快其扩散进程，必将推动瞬时液相连接焊料的应用。

在封装方法方面，感应加热、微波加热、飞秒激光、脉冲电流等都是利用瞬态或局部加热实现焊缝处快速温升，而母材温升变化不明显的特点，使焊料在极短时间内熔化从而实现连接，这对加热方式和能量密度提出了新的要求，同时较大的温度梯度会造成材料间膨胀不匹配增加开裂和应力集中的风险。超声和机械搅拌，是通过加快焊料颗粒(或熔体)的运动和碰撞，加速原子运动迁移的同时，实现焊料颗粒与母材的碰撞去膜、甚至产生局部热效应进而实现连接，降低焊接温度作用明显，但机械搅拌造成外来颗粒的混入和气孔缺陷无法克服，超声搅拌具有与焊缝非直接接触的优势能很好的克服上述问题，具有较好的应用前景。

解决某一个技术问题从来都不是孤立的方案，只有从母材、焊材及焊接方法同时入手，才能达到最佳技术效果。作者近期提出采用微米级混合焊料并辅以超声振动，在低温下(180℃)实现了Cu-Cu固相互连(见图30)，焊点剪切强度达29.76MPa，完全能满足封装需要。项目通过焊料颗粒化，焊前保持不同焊料独立的物理属性，低温焊接时复合焊料颗粒间通过形成固溶或共晶或形成IMC实现颗粒间连接；超声加速碰撞破除母材表面的氧化膜，加速颗粒迁移运动进而加快原子扩散，实现焊料和母材间结合。该方案焊料颗粒为微米级故而不易氧化，焊前颗粒不发生反应和熔合因而具有振动的最大自由度，焊接过程中无需助焊剂，超声振动下颗粒混合更加均匀，焊缝质量高，具有较好的研究和应用前景。

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