我校在微纳连接研究领域取得新进展

哈工大报讯（郑振 文/图）日前，材料学院先进焊接与连接国家重点实验室王春青教授课题组在国家自然科学基金项目资助下，成功实现了在表面纳米阵列结构与纳米连接材料之间的高可靠冶金互连，解决了传统焊盘结构与新型纳米连接材料在连接过程中微观尺度不兼容的矛盾，为第三代半导体功率/高温器件封装、三维立体封装制造提供了新型互连技术。题为《一步法制备三维镍纳米狼牙棒阵列与纳米银的烧结及界面分析》的研究论文发表在美国化学协会《应用材料与界面》杂志（影响因子7.145）上。我校为该论文的第一署名单位和第一通讯作者单位。论文第一作者为我校2013级博士生周炜。

作为新型的互连材料，金属纳米粉体在高温电子封装、功率模块封装等方面逐渐取代传统钎料成为国际研究前沿，并且已经开始获得应用。但其实际连接时间和温度远远高于理论预测，纳米连接材料与基板在表面结构和表面能等方面存在不兼容不匹配等问题。基于纳米尺寸效应，纳米粉体颗粒之间可以在较低的温度下实现快速融合。相比之下，纳米连接材料与平坦基板之间的融合速度至少要比纳米颗粒间融合速度慢一个数量级。在实际连接过程中，存在纳米颗粒之间的自烧结融合过程与纳米颗粒与基板之间的连接过程不兼容问题。课题组提出了通过基板表面纳米化可控调节基板表面能方法，使基板表面能与纳米连接材料表面能量相匹配，进而实现新型纳米连接材料与传统基板在连接过程中的良好兼容，并开发出无模板直接电沉积的方法，在传统铜焊盘表面制备三维纳米狼牙棒阵列结构。课题组发现，在无气氛保护和额外压力的条件下，纳米阵列和纳米银连接材料可以实现快速、可靠的冶金连接，接头没有明显孔洞。化学势计算证明，相较于传统焊盘宏观尺度，表面纳米阵列与纳米连接材料在能量上更加兼容。焊盘表面的纳米结构可以有效实现将纳米连接材料自烧结过程转变为纳米阵列与纳米连接材料的连接和纳米连接材料自烧结同时进行并相互竞争的过程，实现了连接过程微观尺度的兼容性，并将接头的剪切强度提高6倍。本研究有望成为电子封装互连结构领域新的研究热点。

论文链接： http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.6b13031