《Composite Structures》：Deformation mediated densification and bonding strengthening driven through pressure-assisted sintering of two phase nano-metal composites
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基于分子动力学的两相纳米金属复合材料的压力辅助烧结动力学与力学响应机制研究。通过多阶段分子动力学模拟揭示相间协同作用及工艺参数对烧结性能和力学性能的调控规律，提出整合材料本征特性与致密化程度的竞争模型。
吕伟山|魏苏航|刘嘉欣|吕建伟|陈彩|康勇
华中科技大学高密度电能转换国家重点实验室，中国武汉430074
摘要
理解两相纳米金属复合材料在压力辅助烧结下的烧结行为和机械失效机制对于开发先进的芯片互连材料至关重要。然而，如何在原子尺度上分离烧结参数的影响，并将工艺条件与烧结结构的机械性能定量关联起来，仍然是一个重大挑战。在本文中，我们采用多步分子动力学方法系统研究了两相纳米金属复合材料在压力辅助烧结下的烧结动力学和机械响应。我们揭示了组成相之间的协同作用以及多阶段烧结过程如何共同控制复合材料的烧结性能和机械属性。研究结果表明，烧结压力、温度和相比例对烧结动力学和微观结构演化有重要调控作用。具体而言，外部压力是颗粒重排和原子扩散的主要驱动力，而热激活则促进了原子在界面间的迁移。较软的金属相引入了大量的堆垛缺陷和位错，显著增强了扩散路径的连通性。此外，烧结体的机械性能受到组成相本身特性以及最终形成的烧结微观结构的影响。通过调节两相比例，断裂模式可以从单相主导转变为多相协调机制。我们提出了一种新的定性竞争模型来合理解释复合材料的机械性能，该模型将组成金属的固有属性与达到的致密化程度概念性地结合在一起。这项工作为两相纳米金属复合材料在烧结过程中的微观结构-性能关系提供了基础性见解，并为设计具有定制强度和损伤容忍度的材料提供了理论依据。
引言
纳米金属烧结技术作为芯片封装的关键工艺，由于能够实现高密度和高可靠性的连接，被广泛应用于高功率半导体器件的封装和集成[1]、[2]、[3]。它利用金属纳米颗粒的独特尺寸和表面效应，在较低温度下实现高密度烧结，形成具有优异热电性能的互连结构[4]、[5]、[6]。然而，目前广泛研究的单组分纳米金属材料仍面临重大挑战。尽管纳米银具有优异的烧结活性和导电性，但其原材料价格昂贵，并且在高压下容易发生电迁移，导致连接可靠性降低[7]、[8]、[9]。纳米铜的成本较低，但其表面容易氧化，形成绝缘氧化层，这不仅降低了烧结活性，还增加了界面接触电阻[10]、[11]、[12]。
近年来，两相纳米复合材料由于其可调的微观结构和性能而显示出重要的应用前景[13]、[14]、[15]。通过合理设计两相比例，可以有效利用单相金属的独特优势，同时避免各自的技术瓶颈，在恶劣条件下展现出显著的应用潜力。刘等人[16]开发了一种用于低温键合的新型Cu-Ag复合纳米颗粒浆料。Cu-Ag复合纳米颗粒由于Cu和Ag相之间的协同作用而表现出优异的抗氧化性和增强的烧结能力。吕等人[17]通过一步多元醇还原法制备了纳米Cu-Ag复合浆料。李等人[18]通过机械混合制备了Cu-Ag复合纳米颗粒浆料，实现了低温下的Cu-Cu键合。陈等人[19]使用Cu片和Ag氨基复合物制备了微米级Cu-Ag复合浆料，在空气中和低温低压下实现了可靠的裸铜键合。然而，现有研究仅限于无压条件下的小型互连器件的研究，尚未探索在压力辅助烧结下大型器件的烧结行为。关于两相纳米金属复合材料在压力驱动下的致密化机制和界面演化规律的研究还十分有限。
分子动力学（MD）模拟在这项研究中作为一种强大的计算工具，能够直接观察传统实验技术难以触及的原子尺度过程。其主要优势在于通过追踪控制条件下的每个原子的轨迹，阐明缺陷形成、界面演化和原子扩散路径等基本机制[20]、[21]、[22]。这种能力对于研究纳米复合材料的烧结等复杂现象特别有价值，在这些现象中，相之间的协同作用决定了最终的微观结构和性能。通过运用MD，我们可以以无与伦比的精度分离各个参数（如压力、温度、相比例）的影响，并建立工艺条件与材料行为之间的定性、机制性关系。材料致密化、孔隙演化、相连接和机械失效机制之间的关系可以得到有效揭示[23]、[24]、[25]、[26]。这些见解为实验设计和材料选择提供了基础性的指导[27]、[28]、[29]。尽管MD在烧结领域取得了进展，现有模型主要仍局限于两球模型，且大多关注单相金属的无压烧结过程[30]、[31]、[32]。两相纳米金属复合材料在压力辅助烧结下的动力学模拟是一个极其重要的前沿领域。
在本文中，我们揭示了两相纳米金属复合材料在压力辅助烧结下的烧结动力学和耦合机械变形机制。系统研究了多组分相互作用和混合烧结策略对两相复合材料微观结构和性能的耦合效应。通过第二次MD模拟，成功发现了断裂模式从单相主导转变为多相协调的主动控制现象。我们提出了一种定性竞争模型来解释两相复合材料的机械性能，将金属的固有属性与烧结过程的微观结构结果联系起来。
两相纳米金属复合材料的建模与分析方法
在本文中，构建了一个用于模拟Cu-Ag复合纳米颗粒烧结过程的分子动力学模型，这些纳米颗粒具有正态分布的尺寸，如图1(a)所示。所有纳米颗粒放置在一个尺寸为400 ?×400 ?×400 ?的三维周期性边界盒中，以确保在有限体积内准确再现多个颗粒之间的实际相互作用。
纳米金属复合材料的烧结致密化机制
烧结压力是决定纳米颗粒致密化过程的关键外部因素，可以为原子迁移和颗粒重排提供重要的驱动力[52]。首先，系统研究了不同烧结压力条件下复合纳米颗粒的烧结行为。图2展示了Cu与Ag的质量比为1:1时的原子结构演化快照。随着烧结时间的增加，相邻纳米颗粒
结论
在这项工作中，我们通过多部分分子动力学方法创新性地揭示了两相纳米金属复合材料在压力辅助下的烧结动力学行为和机械变形协同机制。我们建立了Cu-Ag纳米颗粒的正态分布模型，以更准确地模拟实际情况。不同组分和多种烧结过程对两相复合材料烧结性能的协同结构-活性关系进行了研究
作者贡献声明
吕伟山：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据整理、概念化。
魏苏航：可视化、形式分析。
刘嘉欣：撰写——审稿与编辑、监督。
吕建伟：方法论、研究。
陈彩：项目管理、资金获取。
康勇：验证、资源支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52407207）、高密度电能转换国家重点实验室（DN2024-16）、中央高校基本科研业务费（YCJJ20251302）、中国博士后科学基金（2024 M750990）以及CPSF博士后奖学金计划（GZC20240529）的财政支持。
