随着第三代宽禁带半导体材料（如SiC和GaN）在电力设备中的广泛应用，传统的基于Sn的热界面材料已无法满足对优异导热性和高温可靠性的要求[[1], [2], [3], [4]]。基于银纳米颗粒（Ag NP）的烧结浆料由于能够在低温下实现烧结，为高温应用提供了有前景的解决方案。结合其出色的导热性和导电性，这些浆料成为电力设备互连的最佳替代品[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。
为了在芯片/基板与银纳米浆料之间形成坚固的热界面，已经开发了具有多种表面形态的金属（Au、Ag、Ni、Cu、Mn、Ti、Cr等）垫片[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]，作为界面冶金键合的中间过渡层。通常，银纳米浆料烧结接头具有多孔微观结构，界面处的孔隙积累往往是由于浆料与垫片之间的冶金键合不足所致。因此，长时间的热老化和电流应力作用下，界面处的孔隙会演变成机械薄弱点，包括大体积的空洞、薄的烧结颈甚至连续裂纹。因此，金属垫片与银浆料之间的冶金相互作用对接头的可靠性至关重要[22]。在这些金属材料中，Cu在空气中使用时会发生严重氧化，显著缩短接头寿命，而Ni和其他垫片与银纳米颗粒的粘附性较差[[23], [24], [25]]。Au和Ag因其化学稳定性（避免脆性金属间化合物）、匹配的晶格常数（Au: 0.408 nm, Ag: 0.409 nm）以及几乎相同的原子半径（Au: 0.144 nm, Ag: 0.145 nm）而成为最佳选择，这使得它们具有无限的固溶性和坚固的冶金键合能力。因此，Au和Ag垫片在工业生产和材料研究与设计中得到广泛应用，被认为是银纳米浆料烧结的最佳基底[26,27]。然而，Ag-Au接头结构仍存在挑战，例如不平衡的相互扩散会导致接头内孔隙的微观结构演变，相关研究仍不够充分[28]。
由于Au和Ag具有结构同源的面心立方（FCC）晶型和相似的晶格常数，关于这一二元体系中的相互扩散和晶界扩散的研究已经持续了几十年，使其成为扩散科学的关键前沿[[29], [30], [31], [32]]。由于Au和Ag的熔点较高，电子封装中常用的加工温度（低于300°C）属于低温范围。在这种条件下，Au-Ag相互扩散的程度非常有限；即使在250或300°C下退火数小时后，扩散距离也不会超过100 nm。因此，不会形成大规模的Kirkendall空洞[29,[33], [34], [35]]，这可能会影响烧结结构的性能[36,37]。近年来，随着纳米材料的发展，这些材料的高表面能显著增强了原子扩散。在Au-Ag纳米材料体系中，这种加速的扩散速率可以促进Kirkendall效应，这种现象常用于纳米结构的可控合成[[38], [39], [40]]。然而，在烧结银领域，仍缺乏明确和系统的研究来证明互连结构中Kirkendall空洞的形成及其对接头性能的不利影响[34]。因此，理解纳米尺度晶粒扩散引起的结构演变及其相关的Kirkendall效应对于选择最佳的烧结垫片材料至关重要。
本研究系统地研究了纳米银浆料的烧结参数优化以及电力设备封装中垫片材料的选择，比较了在不同烧结条件下使用纳米银浆料和Au/Ag垫片形成的接头的性能差异。该研究揭示了在高温下烧结的Ag-Au接头中观察到的退化和失效机制：在300°C下烧结2小时后，烧结银与Au垫片之间的界面形成了异常大的Kirkendall型空洞，尺寸超过1.8 μm。此外，该研究证实了纳米银向Au垫片晶界扩散引起的晶格畸变，并阐明了由孪晶错位介导的晶界扩散结构的横向生长机制。这些发现阐明了Ag-Au烧结接头中的晶界扩散过程，并验证了Kirkendall型空洞的生长机制。
