在当前的技术进步中，第三代半导体材料（如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））具有宽禁带、高击穿电场和高电子迁移率等优异特性[[1], [2], [3]]。它们在新能源汽车、智能电网、5G通信和航空航天等领域具有显著的应用潜力，使其成为制造高温和高频器件的理想选择[4,5]。这些应用通常涉及高温和高功率密度等恶劣条件，给半导体封装技术和材料带来了严峻挑战。
Sn-Pb焊料是一种传统的电子封装焊料，具有优异的机械性能、良好的电导率和热导率[6]。然而，Pb对环境和人类健康有害。基于Sn的无铅焊料（如Sn-Ag-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn体系）目前是替代传统Sn-Pb焊料的主要材料[7,8]。它们能够承受一定的机械应力和振动，并表现出良好的电导率和热导率。然而，这些基于Sn的焊料熔点相对较低，难以满足封装材料的高温服役要求[9,10]。此外，Sn焊料接头界面可能会形成金属间化合物，影响接头的长期可靠性和电子设备的电性能[11]。因此，传统的焊料材料在第三代半导体的封装方面存在许多不足。
金属纳米颗粒烧结技术已成为第三代半导体封装的研究热点，因为它具有低温键合、低热阻和高电导率等优点[12,13]。纳米金属颗粒具有高表面能，在特定的压力和温度下能够实现原子扩散和颈缩生长，从而形成接头[14]。银纳米颗粒的烧结可以在300摄氏度以下的温度进行，有效减少了对器件的热影响[15,16]。此外，银烧结接头表现出优异的电导率和热导率以及良好的机械强度，在电子封装领域得到了广泛研究[17]。
与银相比，铜颗粒具有相似的电导率和热导率，成本更低且电化学迁移性更小[18,19]。然而，铜容易氧化且熔点较高，这对烧结过程提出了挑战，并需要进一步改进接头性能[20,21]。先前的研究探索了几种提高铜烧结接头键合性能的策略。第一种策略是优化浆料系统中的铜纳米颗粒。构建Ag-Cu核壳复合结构可以同时提高抗氧化性和促进烧结[22,23]。结合不同形状和大小的铜颗粒（如双峰尺寸分布），以及使用球形和片状铜颗粒，有效提高了烧结性能[24]。Xin等人[25]采用化学方法在微米级铜颗粒表面生长纳米铜，形成了具有多层层次结构的铜颗粒，从而得到了性能优异的烧结接头。精确控制反应条件还可以进一步调节生长纳米铜颗粒的形状和大小[26]。第二种策略是开发铜浆料载体。浆料载体可以保护铜颗粒并促进烧结过程[27,28]。Kwon等人[29]通过添加含有二羧酸（琥珀酸、戊二酸和己二酸）的还原剂，改善了微米级铜浆料的接头微观结构和烧结性能。结果表明，使用戊二酸作为还原剂的铜浆料的烧结性能显著提高。与其他二羧酸相比，使用戊二酸的铜浆料获得了更高的剪切强度。
在焊接和扩散键合领域，中间层常用于调节界面反应并提高键合性能[30,31]。其中，金属泡沫具有独特的多孔结构，具有轻质、低密度和高比表面积等优势特性，在键合领域受到了广泛关注[32,33]。Si等人[34]开发了一种使用银泡沫的新键合方法，在低温下连接固体氧化物燃料电池组件。即使在300摄氏度的低温下，也实现了高达24兆帕的高强度接头。铜泡沫由于其相对较低的成本和良好的电导率及热导率，在电子封装和热管理领域受到了广泛关注[35,36]。Pan等人[37]提出了一种基于铜泡沫的Sn/Cu泡沫/Sn瞬态液相键合方法，实现了超过100兆帕的剪切强度。Liu等人[38]将铜泡沫引入银纳米颗粒的烧结研究中。利用多孔铜泡沫促进烧结过程中有机溶剂的蒸发路径，显著提高了接头的均匀性并减少了缺陷。最大剪切强度达到了33.14兆帕，是纯纳米银接头的2.5倍以上。这表明铜泡沫可以有效提高接头质量。然而，关于铜泡沫在铜颗粒烧结中的应用研究还很少。
在本研究中，将铜泡沫引入铜浆料烧结中以提高接头性能。首先，比较了没有铜泡沫的烧结接头和铜泡沫辅助复合烧结接头的界面微观结构。然后研究了不同铜颗粒尺寸和铜泡沫尺寸对烧结接头微观结构和机械性能的影响。分析了铜泡沫增强烧结接头剪切性能的机制，并阐明了复合接头的断裂失效机制。此外，还对铜泡沫辅助复合烧结接头进行了高温老化实验，以分析机械性能和微观结构的变化。
