在不同烧结工艺下，无压烧结纳米铜的准原位划痕性能研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Quasi in-situ scratch performances of pressureless sintered nano-copper under various sintering processes

　　

戴彦伟|吴玉东|贾强|秦飞

北京工业大学电子封装技术与可靠性研究所，北京，100124，中国

摘要

烧结纳米铜被认为是一种有前景的替代互连材料，适用于高温和宽禁带电力电子器件。评估烧结纳米铜的机械性能是电子封装领域的重要课题。本文系统研究了通过微划痕测试对其机械性能的表征。研究发现，烧结纳米铜的最大弹性恢复率可高达41%。此外，在相同的烧结温度下，随着保持时间的增加，烧结纳米铜的弹性恢复率先增加，然后趋于稳定，几乎不再变化。烧结纳米铜的弹性恢复率与其孔隙率呈负相关，且这种相关性随着烧结温度的升高而更加明显。烧结纳米铜的摩擦系数（COF）在0.34到0.50之间，低于纯铜的摩擦系数（0.56）。本文的研究结果为纳米铜及其他烧结纳米金属的划痕性能提供了有趣的见解。

引言

烧结纳米铜被认为是一种有前景的替代互连材料，适用于高温和宽禁带电力电子器件[1,2]。与烧结纳米银相比，烧结纳米铜具有更低的成本、更高的导热性以及潜在的更好的工业应用性能。为了解决铜氧化和较高烧结能量的问题，通过Pt催化甲酸和有机化合物混合物的分解，开发了无压烧结纳米铜浆料[3]。了解烧结纳米铜在不同条件下的性能是将其作为互连材料并评估其可靠性及其他特性的第一步[4,5]。

为了更好地理解烧结纳米铜在不同服役条件下的机械行为，已经进行了一些研究。胡等人[6]通过带缺口的微悬臂梁研究了烧结纳米铜的微观断裂韧性。最近，杜等人[7]也发现了压力辅助烧结铜的机械各向异性。范等人[8]使用高温纳米压痕测试研究了烧结纳米铜的硬度和压痕模量。Thekkut等人[9]通过平头圆柱形冲头测试获得了有效的Anand关系式。Sivasubramony等人[10]对铜纳米颗粒接头进行了热疲劳测试。刘等人[11]还研究了不同条件下烧结纳米铜的剪切强度和断裂表面，发现250°C和280°C烧结样品的剪切强度值适用于模具连接应用。除了这些机械测试外，分子动力学模拟也被广泛用于估算烧结纳米铜的微观结构和机械行为[12,13]。

由于人们对了解纳米铜机械性能的兴趣和关注不断增加，最近进行了一些富有成果的研究。刘等人[14]研究了包含烧结工艺参数（烧结温度和压力）的铜烧结SiC功率模块的断裂行为和机制。戴等人[15]和马等人[16]致力于开发更可行、更坚固且具有高可靠连接能力的烧结纳米铜。最近，更多研究集中在烧结纳米铜的疲劳问题上[10],[17],[18],[19]。除了用于功率模块互连外，铜纳米颗粒还被用于增材制造[20]。王等人在最近的综述文章中全面介绍了铜烧结连接的应用[21]。

与以往的研究相比，微划痕测试是一种常用的方法，用于评估涂层甚至互连材料的接触变形、粘附力和摩擦机制[[22],[23],[24]]。尽管有一些关于单晶铜的研究[[25],[26],[27]]，但据作者所知，目前还没有关于烧结纳米铜微划痕行为的报道。此外，研究发现烧结纳米铜的机械行为[18]对烧结条件（如烧结温度、烧结时间等）非常敏感。传统的纳米压痕测试总是在样品表面进行，而实际应力状态与这些条件相差甚远。此外，微划痕测试可以在横截面方向上反映真实的应力状态，这是一种准原位划痕测试。因此，研究烧结纳米铜的微划痕性能是非常必要且有意义的。

本文旨在研究烧结工艺参数对烧结纳米铜微划痕效果的影响。为此，我们进行了系统的横截面微划痕实验研究，发现烧结纳米铜的弹性恢复率较高，摩擦力较低。讨论了烧结参数与微划痕测试下微观结构变化之间的关系，并展示了烧结纳米铜的划痕形态、变形、弹性恢复率和摩擦性能，对这些行为进行了分析。

章节摘录

样品制备

图中所示的烧结铜浆料中，纳米铜的平均粒径约为300纳米。所使用的烧结铜浆料包含乙基纤维素、乙醇、丙酮等成分[17]。使用制备好的烧结铜浆料，按照图2所示的烧结参数制备烧结铜接头。将铜浆料样品放入烧结炉后，需要用真空泵抽空炉腔。

不同烧结参数下烧结铜的微观结构

在本节中，采用了第2.1节中建立的12组烧结工艺参数，分别制备了相应的烧结纳米铜样品。烧结后的纳米铜样品用环氧树脂进行冷装夹，固化24小时后完成。随后，使用从240#到2000#的碳化硅砂纸依次对样品进行研磨。在每次研磨之前，确保...

结论

系统地展示了并研究了不同烧结参数下烧结纳米铜的划痕测试结果。基于划痕测试，得出以下结论：

(1)

在250°C、保持时间为60分钟的条件下，烧结纳米铜的最大弹性恢复率达到了41%。烧结纳米铜的弹性恢复率通常在21%到41%之间，明显高于...

CRediT作者贡献声明

戴彦伟：概念构思、数据管理、资金获取、研究设计、方法论、项目管理、监督、验证、可视化、初稿撰写。吴玉东：数据管理、数据分析、研究设计、方法论、验证、可视化、审稿与编辑。贾强：研究实施、资源协调、撰写——审稿与编辑。秦飞：数据分析、资源协调、撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文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（编号：12272012）的支持。